ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 4

Transcript

1 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 4 KΕΦΑΛΑΙΟ Ι... 6 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΚΕΛ ΨΥΤΤΑΛΕΙΑΣ Εισαγωγή Γενικά στοιχεία και δεδομένα σχεδιασμού Έργα Α φάσης Έργα εισόδου και προεπεξεργασίας: Δεξαμενές πρωτοβάθμιας καθίζησης: Διάθεση επεξεργασμένων λυμάτων: Πάχυνση Πρωτοβάθμιας Ιλύος: Μονάδα Χώνευσης Πρωτοβάθμιας Ιλύος: Μονάδα Μεταπάχυνσης Αποθήκευσης Ιλύος: Μονάδα Αφυδάτωσης Πρωτοβάθμιας Ιλύος: Έργα Β φάσης Βιοαντιδραστήρες: Δεξαμενές Τελικής Καθίζησης: Εγκατάσταση Μηχανικής Πάχυνσης Περίσσειας Ενεργού Ιλύος: Μονάδα Χώνευσης Ιλύος (Φάσεις Α και Β ): Μονάδα Μεταπάχυνσης Αποθήκευσης Ιλύος (Φάσεις Α και Β ): Μονάδα Αφυδάτωσης Πρωτοβάθμιας Ιλύος (Φάσεις Α και Β ):

2 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΙΙ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΥΦΙΣΤΑΜΕΝΗΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΚΑΙ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΝΕΡΓΟΥ ΙΛΥΟΣ ΣΤΟ ΚΕΛΨ Περιγραφή Συστήματος Ενεργού Ιλύος Αξιολόγηση των εισερχομένων παροχών και ρυπαντικών φορτίων του συστήματος ενεργού ιλύος Παροχές εισόδου στο βιολογικό αντιδραστήρα Ρυπαντικά φορτία εισόδου στο βιολογικό αντιδραστήρα Αξιολόγηση της ποιότητας εκροής του συστήματος ενεργού ιλύος Λειτουργικά χαρακτηριστικά συστήματος ενεργού ιλύος Απονιτροποίηση Νιτροποίηση Προσδιορισμός του απαιτούμενου Ο Δεξαμενή τελικής καθίζησης Συμπεράσματα ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΙΙΙ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΙΑWQ Εισαγωγή Υποδιαίρεση της οργανικής ύλης Μεταβλητές του μαθηματικού μοντέλου Διεργασίες του μαθηματικού μοντέλου Χαρακτηρισμός των λυμάτων και εκτίμηση των τιμών των παραμέτρων του μοντέλου Γενικά Διαδικασία εκτίμησης κινητικών παραμέτρων Τυπικές τιμές των παραμέτρων

3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΙV ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΗΣ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΒΑΘΜΙΔΑΣ ΤΟΥ ΚΕΛ ΨΥΤΤΑΛΕΙΑΣ Εισαγωγή Κλασματοποίηση του COD Εξεταζόμενα σενάρια Σενάριο Α1: Ρύθμιση του μοντέλου Επαλήθευση B.1 Διερεύνηση απαιτούμενων παρεμβάσεων για τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας της βιολογικής βαθμίδας Γ.1 Εφαρμογή μοντέλου για δυναμικές συνθήκες ΚΕΦΑΛΑΙΟ V ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

4 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι Εγκαταστάσεις Επεξεργασίας Λυμάτων Ψυττάλειας αποτελούν την κύρια μονάδα επεξεργασίας λυμάτων στην ευρύτερη περιοχή της Αθήνας, ισοδύναμου πληθυσμού κατοίκων. Η λειτουργία του έργου ξεκίνησε το 1994 και σήμερα περιλαμβάνει τα ακόλουθα στάδια επεξεργασίας επεξεργασία λυμάτων και ιλύος. Οι εγκαταστάσεις της Α Φάσης περιλαμβάνουν προεπεξεργασία των λυμάτων στις εγκαταστάσεις του Ακροκέραμου, με απομάκρυνση των βαρέων στερεών, εσχάρωση, εξάμμωση και απόσμηση. Τα προεπεξεργασμένα λύματα μεταφέρονται με 2 υποθαλλάσιους αγωγούς στη νήσο Ψυττάλεια όπου η επεξεργασία συνεχίζεται με πρωτοβάθμια επεξεργασία στις δεξαμενές πρωτοβάθμιας καθίζησης και επεξεργασία της ιλύος, που περιλαμβάνει βαρυτική πάχυνση, αναερόβια χώνευση και αφυδάτωση. Οι εγκαταστάσεις της Β Φάσης περιλαμβάνουν την βιολογική βαθμίδα επεξεργασίας των λυμάτων με το σύστημα της ενεργού ιλύος, που αποτελείται από τους βιολογικούς αντιδραστήρες και τις τελικές καθιζήσεις, καθώς και την επεξεργασία της βιολογικής ιλύος που περιλαμβάνει μηχανική πάχυνση, αναερόβια χώνευση, αφυδάτωση και ξήρανση. Στο σύστημα ενεργού ιλύος επιτυγχάνεται η βιολογική επεξεργασία των λυμάτων και έχει ως στόχο την μείωση των συγκεντρώσεων των ρυπαντικών φορτίων σε περιβαλλοντικά αποδεκτά επίπεδα, για να μπορέσουν να διατεθούν χωρίς να αλλοιώνουν σημαντικά τα χαρακτηριστικά του φυσικού αποδέκτη. Αντικείμενο της παρούσας έρευνας είναι η αξιολόγηση της λειτουργίας του συστήματος ενεργού ιλύος του ΚΕΛ της Ψυττάλειας με βάση τα διαθέσιμα λειτουργικά δεδομένα και μέσω μαθηματικής προσομοίωσης. Αναλυτικότερα, η διάρθρωση της εργασίας έχει ως εξής: 4

5 Το Κεφάλαιο 1 αποτελεί μία γενική εισαγωγή για το κέντρο επεξεργασίας λυμάτων της Ψυττάλειας και περιγράφει τα έργα της εγκατάστασης. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται επεξεργασία και ανάλυση των μετρήσεων που λήφθηκαν στις διάφορες θέσεις δειγματοληψίας και αξιολόγηση των αποτελεσμάτων σε σύγκριση με τα δεδομένα σχεδιασμού για το σύστημα ενεργού ιλύος. Έτσι συμπεριλαμβάνονται τα χαρακτηριστικά των πρωτοβάθμια επεξεργασμένων λυμάτων, το νομοθετικό πλαίσιο, τα χαρακτηριστικά των επεξεργασμένων λυμάτων και η στατιστική ανάλυση των παραμέτρων που παρακολουθούνται στην εγκατάσταση. Στο Κεφάλαιο 3 πραγματοποιείται η περιγραφή του μοντέλου της IWA, η οποία περιλαμβάνει τις μεταβλητές που υπεισέρχονται σε αυτό, τις διεργασίες που λαμβάνουν χώρα, την εκτίμηση των κινητικών παραμέτρων και τις τυπικές τιμές των παραμέτρων που χρησιμοποιούνται. Στο Κεφάλαιο 4 γίνεται η αξιολόγηση του συστήματος ενεργού ιλύος του ΚΕΛ Ψυττάλειας μέσω μαθηματικού μοντέλου, η παρουσίαση και τα συμπεράσματα των προσομοιωμένων σεναρίων που εφαρμόστηκαν για : Σειρά Εφαρμογών Α : Ρύθμιση και Επαλήθευση του μοντέλου Σειρά Εφαρμογών Β : Διερεύνηση απαιτούμενων παρεμβάσεων για τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας Σειρά Εφαρμογών Γ : Εφαρμογή μοντέλου για δυναμικές συνθήκες Στο Κεφάλαιο 5 ολοκληρώνοντας τη διπλωματική εργασία, δίνονται τα συμπεράσματα και οι παρατηρήσεις της παρούσας έρευνας, καθώς και οι σχετικές απαιτούμενων παρεμβάσεις για τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας της βιολογικής βαθμίδας. 5

6 KΕΦΑΛΑΙΟ Ι ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΚΕΛ ΨΥΤΤΑΛΕΙΑΣ 1. Εισαγωγή Το έργο άρχισε να κατασκευάζεται το 1983, όταν αποφασίστηκε η μεταφορά και η επεξεργασία των λυμάτων της Αττικής στη νήσο Ψυττάλεια. Πρόκειται για ένα από τα μεγαλύτερα Κέντρα Επεξεργασίας Λυμάτων στην Ευρώπη, το οποίο συμβάλει αποφασιστικά στην εξυγίανση του Σαρωνικού και στην αναβίωση της χλωρίδας και της πανίδας του. Το έργο της Ψυττάλειας αποτελείται από τα εξής επιμέρους έργα: Συμπληρωματικός Κεντρικός Αποχετευτικός αγωγός (ΣΚΑΑ) Μηχανική επεξεργασία των λυμάτων στον Ακροκέραμο Δίδυμος υποθαλάσσιος αγωγός (ανεστραμμένος σίφωνας) από τον Ακροκέραμο στη νήσο Ψυττάλεια Κέντρο Επεξεργασίας Λυμάτων στη Ψυττάλεια Σύστημα αγωγών εκβολής Εικόνα 1.1 : Κέντρο Επεξεργασίας Λυμάτων Ψυττάλειας (ΚΕΛΨ) 6

7 Στο Κ.Ε.Λ.Ψ. καταλήγουν τα λύματα, μέσω του δικτύου αποχέτευσης ακαθάρτων, του λεκανοπεδίου των Αθηνών. Στον Ακροκέραμο και την Ψυττάλεια συρρέουν επίσης οι απορροές ομβρίων από το ιστορικό κέντρο των Αθηνών, όπου το δίκτυο αποχέτευσης είναι παντορροϊκό. Επίσης με τους υποθαλάσσιους αγωγούς που κατασκευάστηκαν πρόσφατα, συνδέθηκε με την Ψυττάλεια και η Σαλαμίνα, με προοπτική να διοχετεύονται τα λύματα της νήσου στο Κ.Ε.Λ.Ψ. προς επεξεργασία Γενικά στοιχεία και δεδομένα σχεδιασμού Ο σχεδιασμός των έργων του Κ.Ε.Λ.Ψ. προέβλεπε την ολοκλήρωση σε δύο φάσεις. Τα έργα Α Φάσης, έχουν ολοκληρωθεί και βρίσκονται σε λειτουργία από το Την ευθύνη λειτουργίας των εγκαταστάσεων Α Φάσης του ΚΕΛΨ έχει η ΕΥΔΑΠ, η οποία μετά από προκήρυξη Διαγωνισμού έχει αναθέσει τις υπηρεσίες λειτουργίας και συντήρησης των έργων σε Κοινοπραξία ιδιωτικών εργοληπτικών εταιρειών. Τα έργα της Β Φάσης, ολοκληρώθηκαν και τέθηκαν σε δοκιμαστική λειτουργία τον Ιούνιο του Την ευθύνη λειτουργίας των εγκαταστάσεων Β Φάσης του ΚΕΛΨ έχει από τότε το ΥΠΕΧΩΔΕ, το οποίο μέσω της ΕΥΔΕ/ΑΕΛΜΠ επιβλέπει τη λειτουργία και συντήρηση των έργων από την Ανάδοχο Κ/ξία κατασκευής της Β Φάσης. Η Α Φάση περιλαμβάνει : τα έργα προεπεξεργασίας (εσχάρωση και εξάμμωση), τις δεξαμενές πρωτοβάθμιας καθίζησης, τους παχυντές βαρύτητας, τους μεσοφιλικούς αναερόβιους χωνευτές της πρωτοβάθμιας ιλύος, τη μονάδα αφυδάτωσης της ιλύος, καθώς και τα έργα διοχέτευσης των λυμάτων από τον Ακροκέραμο στην Ψυττάλεια και τελικής διάθεσης των επεξεργασμένων λυμάτων στη θάλασσα. Τα έργα προεπεξεργασίας των λυμάτων έχουν κατασκευασθεί στον Ακροκέραμο. Τα υπόλοιπα έργα της Α Φάσης είναι κατασκευασμένα στη νήσο Ψυττάλεια όπου κατασκευάστηκαν και τα έργα της Β Φάσης. Τα έργα της Β Φάσης περιλαμβάνουν : 7

8 τους βιολογικούς αντιδραστήρες, τις δεξαμενές τελικής καθίζησης και τα έργα επεξεργασίας της περίσσειας βιολογικής ιλύος (μηχανική πάχυνση, νέοι χωνευτές νέα μονάδα αφυδάτωσης της ιλύος, ξήρανση της ιλύος), τα οποία συμπληρώνουν τις υφιστάμενες εγκαταστάσεις επεξεργασίας της πρωτοβάθμιας ιλύος. Τα έργα έχουν κατασκευασθεί με χρονικό ορίζοντα το 2020, για τις παραμέτρους σχεδιασμού του Πίνακα 1.1 : Πίνακας 1.1: Παράμετροι σχεδιασμού των έργων Β Φάσης Παράμετροι Σχεδιασμού Μονάδα Χρονικός ορίζων σχεδιασμού Έτος 2020 Εξυπηρετούμενος πληθυσμός Κάτοικοι Παροχές λυμάτων Μέση παροχή Μέγιστη παροχή Παροχή αιχμής Ρυπαντικά φορτία εισόδου στην εγκατάσταση ΒΟD Μέση τιμή Αιχμή COD Μέση τιμή Αιχμή SS Μέση τιμή Αιχμή Ρυπαντικά φορτία πρωτοβάθμιων εκροών ΒΟD Μέση τιμή Αιχμή COD Μέση τιμή Αιχμή SS Μέση τιμή Αιχμή Φορτίο αζώτου και φωσφόρου στην είσοδο και έξοδο των Δ.Π.Κ. Oλικό Ν (μέση τιμή) Oλικό Ν (αιχμή) m 3 /ημέρα m 3 /ημέρα m 3 /sec kg/d kg/d kg/d kg/d kg/d kg/d kg/d kg/d kg/d kg/d kg/d kg/d kg/d kg/d

9 Παράμετροι Σχεδιασμού Μονάδα Χρονικός ορίζων σχεδιασμού Έτος 2020 Ολικός Ρ (μέση τιμή) kg/d Θερμοκρασία ανάμικτου υγρού στους βιοαντιδραστήρες: Ελάχιστη Χειμερινή Μέγιστη Θερινή C C Η απαιτούμενη ποιότητα των επεξεργασμένων λυμάτων μετά τη βιολογική επεξεργασία, καθορίστηκε σύμφωνα με τις απαιτήσεις της Οδηγίας 91/271 της Ε.Ε. για ευαίσθητους αποδέκτες και θεσμοθετήθηκε με την κοινή υπουργική απόφαση Α.Π / έγκρισης των περιβαλλοντικών όρων. H απαιτούμενη ποιότητα των επεξεργασμένων λυμάτων για το 93% των δειγμάτων δίνεται στον Πίνακα 1.2: Πίνακας 1.2: Απαιτούμενη ποιότητα τελικών εκροών Παράμετρος Όριο εκροής (mg/l) BOD 25 COS 125 SS 35 Με την αναθεωρημένη μελέτη, προστέθηκε και όριο για το άζωτο (απομάκρυνση ΤΝ>70%). Με την Απόφαση Υοικ 8105/ του Νομάρχη Πειραιά, έχουν καθοριστεί επιπλέον τα παρακάτω όρια για τη διάθεση των επεξεργασμένων λυμάτων του ΚΕΛΨ στο Σαρωνικό κόλπο: Αμμωνιακό Άζωτο : <5mg/l Λίπη και Έλαια : <0,2mg/l Καθιζάνοντα στερεά εντός 2 ωρών σε κώνο Imhoff < 0,5mg/l Λαμβάνοντας υπόψη τα φορτία σχεδιασμού και την απαιτούμενη επεξεργασία, οι προς κατασκευή επιμέρους μονάδες κατά τη δημοπράτηση του έργου, προσδιορίστηκαν ως εξής: 9

10 1.2. Έργα Α φάσης Έργα εισόδου και προεπεξεργασίας: Τα έργα εισόδου περιλαμβάνουν την μονάδα απομάκρυνσης ογκωδών υλικών, καθώς και το αντλιοστάσιο ανύψωσης λυμάτων. Τα έργα προεπεξεργασίας περιλαμβάνουν τη μονάδα εσχάρωσης, (5 εσχάρες εκάστη υδραυλικής ικανότητας 4,80 m 3 /s), τη μονάδα εξάμμωσης (6 μονάδες εκάστη δυναμικότητας 3,50 m 3 /s), καθώς και τη μονάδα απόσμησης. Όλες οι παραπάνω μονάδες είναι εγκατεστημένες στον Ακροκέραμο από όπου στη συνέχεια οδηγούνται στην Ψυττάλεια μέσω δίδυμου υποθαλάσσιου σίφωνα υδραυλικής ικανότητας 27 m 3 /s Δεξαμενές πρωτοβάθμιας καθίζησης: Πριν την είσοδο τους στις Δ.Π.Κ. τα λύματα διέρχονται από δίδυμο μετρητή παροχής λυμάτων. Οι έξι (6) δεξαμενές πρωτοβάθμιας καθίζησης είναι ορθογωνικής κάτοψης, διαστάσεων 20x100 m, μέσου βάθους 3 m και συνολικής επιφάνειας 12,000 m 2. Τα εισερχόμενα λύματα θα υφίστανται πρωτοβάθμια επεξεργασία με αναμενόμενο βαθμό απομάκρυνσης στερεών 50-60% Διάθεση επεξεργασμένων λυμάτων: Η εκροή από την εγκατάσταση οδηγείται μέσω διώρυγας και σήραγγας απαγωγής στο σύστημα υποθαλάσσιας μεταφοράς και διάχυσης σε βάθος 65 m υπό την επιφάνεια της θάλασσας. Το σύστημα αυτό αποτελείται από 2 μεγάλου μήκους υποθαλάσσιους αγωγούς (έκαστος μήκους 1870 m) συνολικής παροχετευτικής ικανότητας 16 m 3 /s και έναν αγωγό μικρού μήκους (μήκος 320 m), ο οποίος θα λειτουργεί για τις πέραν των 16 m 3 /s παροχές ή και για το σύνολο της παροχής λυμάτων σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης Πάχυνση Πρωτοβάθμιας Ιλύος: Η ιλύς που απομακρύνεται από τις δεξαμενές πρωτοβάθμιας καθίζησης οδηγείται προς τις εγκαταστάσεις πάχυνσης της ιλύος με στόχο την αύξηση των στερεών σε 6,5-7,5% περίπου. Έχουν κατασκευασθεί τρεις παχυντές βαρύτητας, διαμέτρου 25 m και μέσου βάθους 5 m. Oι 10

11 δεξαμενές πάχυνσης, εκάστη χωρητικότητας 2450 m 3, είναι συνεχούς ροής και διαθέτουν περιφερειακό υπερχειλιστή και περιστρεφόμενο σύστημα ανάμιξης Μονάδα Χώνευσης Πρωτοβάθμιας Ιλύος: Η πρωτοβάθμια παχυμένη ιλύς σταθεροποιείται με αναερόβια χώνευση σε θερμοκρασία ο C. Κατά την Α φάση λειτουργίας ( ) η χώνευση λάμβανε χώρα σε τέσσερις χωνευτές, συνολικού ωφέλιμου όγκου m 3, με επιτυγχανόμενη διάσπαση περίπου 45-50% των οργανικών στερεών της πρωτοβάθμιας ιλύος. Η ανάμιξη των χωνευτών επιτελείται με έξι εσωτερικές μονάδες θέρμανσης-ανάμιξης, ομοιόμορφα κατανεμημένες στην οροφή κάθε δεξαμενής. Το βιοαέριο που παράγεται από τη μονάδα αναερόβιας χώνευσης οδηγείται σε δύο αεριοφυλάκια, έκαστο χωρητικότητας m 3. Το βιοαέριο χρησιμοποιείται για την ανάμιξη/ανακυκλοφορία της ιλύος στους χωνευτές, ενώ ένα τμήμα του καίγεται παράγοντας θερμότητα για τη θέρμανση των χωνευτών. Το πλεονάζον βιοαέριο κατά την Α φάση διοχετευόταν σε δαυλούς καύσης, συνολικής δυναμικότητας 440 m 3 /hr. Η λειτουργία των χωνευτών μετά τη θέση σε λειτουργία της Β φάσης περιγράφεται στη συνέχεια Μονάδα Μεταπάχυνσης Αποθήκευσης Ιλύος: Η χωνευμένη ιλύς κατά την Α φάση οδηγείτο σε τέσσερις κυκλικές δεξαμενές, συνολικού όγκου m 3, όπου γινόταν μεταπάχυνση και αποθήκευση της ιλύος για την περίπτωση διακοπής της λειτουργίας της εγκατάστασης αφυδάτωσης για μικρό χρονικό διάστημα Μονάδα Αφυδάτωσης Πρωτοβάθμιας Ιλύος: Η χωνευμένη ιλύς κατά την Α φάση οδηγείται στην μονάδα αφυδάτωσης, αποτελούμενη από έξι ταινιοφιλτρόπρεσσες (η μία εφεδρική), πλάτους ταινίας δύο μέτρων και συνολικής δυναμικότητας 90 m 3 /hr. Για τη Β φάση λειτουργίας προβλεπόταν η αντικατάσταση των ταινιοφιλτροπρεσσών με δύο φυγοκεντρητές. 11

12 Όλες οι παραπάνω μονάδες κατασκευάστηκαν και παραλήφθηκαν από την ΕΥΔΑΠ το 1994, οπότε και άρχισε σύμφωνα με τα προβλεπόμενα η λειτουργία των έργων της Α φάσης, με ευθύνη της. Οι αναγκαίες τροποποιήσεις στον τρόπο λειτουργίας της γραμμής ιλύος, έγιναν με τη μεταγενέστερη έναρξη της λειτουργίας της Β φάσης. Σύμφωνα με τον τροποποιημένο τρόπο λειτουργίας όλες οι μονάδες επεξεργασίας ιλύος (τόσο της Α όσο και της Β φάσης), με εξαίρεση τους παχυντές βαρύτητας, εξυπηρετούν πλέον το μίγμα πρωτοβάθμιας και βιολογικής ιλύος και η ευθύνη λειτουργίας των μονάδων επεξεργασίας της ιλύος έχει αναληφθεί από κοινού μεταξύ ΕΥΔΑΠ και ΕΥΔΕ/ΑΕΛΜΠ. 1.3 Έργα Β φάσης Βιοαντιδραστήρες: Τα λύματα μετά την πρωτοβάθμια καθίζηση ανυψώνονται μέσω του Αντλιοστασίου Ανύψωσης Πρωτοβαθμίων Λυμάτων (Α.Α.Π.Λ.). από τη στάθμη περίπου (στάθμη αναρρόφησης) στη στάθμη περίπου. Σε κατάλληλα διαμορφωμένο θάλαμο έχουν εγκατασταθεί έξι υποβρύχιες αντλίες αξονικής ροής, δυναμικότητας εκάστη 3,0 m 3 /sec περίπου και ισχύος κινητήρα 300 KW περίπου, που καταθλίβουν τα πρωτοβαθμίως επεξεργασμένα λύματά της στη διώρυγα τροφοδοσίας των βιοαντιδραστήρων. Παρέχεται η δυνατότητα ρύθμισης της παροχής του αντλιοστασίου μέσω ρυθμιστών στροφών χαμηλής τάσης, ώστε αυτή να προσαρμόζεται στην εκάστοτε εισροή λυμάτων. Σε κάθε αντλία είναι τοποθετημένο ηλεκτρομαγνητικό παροχόμετρο Ø1200 mm. Μετά την έξοδό τους από το Α.Α.Π.Λ., τα λύματα μεταφέρονται μέσω οχετού και διανέμονται μέσω πλευρικών ανοιγμάτων στον οχετό σε δώδεκα (12) βιοαντιδραστήρες, συνολικού όγκου m 3, διατεταγμένους σε παράλληλη διάταξη σε δύο ομάδες των έξι (6) εκατέρωθεν του οχετού τροφοδοσίας. Έχουν κατασκευαστεί δύο επιπλέον βιοαντιδραστήρες, για μελλοντική αξιοποίηση στη περίπτωση που απαιτηθεί είτε αύξηση της δυναμικότητας επεξεργασίας, είτε ενίσχυση της βιολογικής αποομάκρυνσης φωσφόρου. Οι βιοαντιδραστήρες είναι κατάλληλα διαμερισματοποιημένοι, με αναερόβια ζώνη επιλογής μικροοργανισμών, ανοξική ζώνη, αερόβιες ζώνες και ζώνη απαερίωσης. Η αναερόβια, ανοξική και η ζώνη απαερίωσης είναι εξοπλισμένες με υποβρύχιους αναδευτήρες. Οι 12

13 αερόβιες ζώνες είναι εξοπλισμένες με σύστημα υποβρύχιας διάχυσης του αέρα, με ελαστικούς διαχυτήρες λεπτής φυσαλίδας. Συνολικά είναι τοποθετημένοι διαχυτήρες. Η παροχή του απαιτούμενου αέρα, εξασφαλίζεται από συγκρότημα επτά (7) φυγοκεντρικών αεροσυμπιεστών συνολικής δυναμικότητας Nm 3 /h. Η ψύξη των αεροσυμπιεστών και των μεταψυκτών αέρα, γίνεται μέσω κυκλώματος αντλιών και εναλλακτών με βιομηχανικό νερό. Το σύνολο του εξοπλισμού είναι εγκατεστημένο σε κατάλληλο βιομηχανικό κτίριο. Κάθε βιοαντιδραστήρας είναι εξοπλισμένος με τρεις (3) αντλίες εσωτερικής ανακυκλοφορίας (για τις ανάγκες της απονιτροποίησης). Στους βιοαντιδραστήρες είναι τοποθετημένα όργανα μέτρησης on line του διαλυμένου οξυγόνου, αιωρούμενων στερεών, αμμωνιακών και νιτρικών. Το ανάμικτο υγρό από την έξοδο των βιοαντιδραστήρων οδεύει με ανοικτή διώρυγα στο μεριστή παροχής προς τις δεξαμενές τελικής καθίζησης. Η ρύθμιση της παροχής προς τις δεξαμενές τελικής καθίζησης γίνεται από οκτώ (8) πνευματικές ρυθμιστικές δικλείδες Ø1200 mm. Κάθε ρυθμιστική δικλείδα είναι εξοπλισμένη με ηλεκτρομαγνητικό παροχόμετρο Ø1200 mm. Εικόνα 1.2 : Βιολογικός αντιδραστήρας στο ΚΕΛ Ψυττάλειας 13

14 1.3.2 Δεξαμενές Τελικής Καθίζησης: Ο διαχωρισμός της βιομάζας από τα επεξεργασμένα λύματα, πραγματοποιείται σε εξήντα τέσσερις (64) δεξαμενές καθίζησης, συνολικής επιφάνειας m 2. Οι δεξαμενές τελικής καθίζησης είναι δύο διαμερισμάτων (διαμέρισμα υψηλής και χαμηλής φόρτισης), ορθογωνικές τύπου Gould II, εξοπλισμένες με ξέστρα συνεχούς σάρωσης και στα δύο διαμερίσματα. Οι ΔΤΚ είναι εξοπλισμένες με όργανα on line μέτρησης στερεών στους κώνους συλλογής της ιλύος και όργανα μέτρησης του στρώματος της ιλύος στο διαμέρισμα υψηλής φόρτισης. Η απομάκρυνση της καθιζάνουσας ιλύος από τους κώνους συλλογής των δεξαμενών γίνεται μέσω εκατόν ενενήντα δύο (192) (τρεις σε κάθε δεξαμενή) ηλεκτροκίνητων υδροστατικών δικλείδων. Η ανακυκλοφορία της ενεργού ιλύος από τις δεξαμενές καθίζησης προς τους βιοαντιδραστήρες γίνεται από δώδεκα (12) υποβρύχιες αξονικές αντλίες, μοναδιαίας παροχής 1,5 m 3 /s, εξοπλισμένες με ρυθμιστή συχνότητας (ρύθμιση από 0,7 έως 1,5 m 3 /s), τοποθετημένες εντός των βιοαντιδραστήρων. Κάθε αντλία είναι εξοπλισμένη με παροχόμετρο υπερήχων. Το αντλιοστάσιο περίσσειας ιλύος αποτελείται από τέσσερις (4) φυγοκεντρικές αντλίες ξηρού τύπου, μοναδιαίας παροχής 0,2 m 3 /s. To αντλιοστάσιο περίσσειας είναι εξοπλισμένο με ηλεκτρομαγνητικό παροχόμετρο και όργανο μέτρησης αιωρούμενων στερεών Εγκατάσταση Μηχανικής Πάχυνσης Περίσσειας Ενεργού Ιλύος: Η περίσσεια ενεργός ιλύς απομακρύνεται και οδηγείται στο αντλιοστάσιο περίσσειας ενεργού ιλύος από όπου καταθλίβεται προς την εγκατάσταση μηχανικής πάχυνσης. Το συγκρότημα αντλιών απομάκρυνσης της περίσσειας ενεργού ιλύος αποτελείται από 4 αντλίες δυναμικότητας 600 l/s. Η μέγιστη δυναμικότητα της μονάδας μηχανικής πάχυνσης ανέρχεται σε m 3 /ώρα. Η εγκατάσταση της μηχανικής πάχυνσης περιλαμβάνει δεξαμενή ενδιάμεσης αποθήκευσης, χωρητικότητας 500 m 3 και 10+2 τράπεζες μηχανικής πάχυνσης συνολικής δυναμικότητας 1500 m 3 /d. Πριν από την τροφοδοσία της παχυμένης ιλύος στους χωνευτές υπάρχει δεξαμενή ανάμιξης της περίσσειας παχυμένης ιλύος με την πρωτοβάθμια παχυμένη ιλύ. Επιπρόσθετα, ο 14

15 σχεδιασμός των έργων μηχανικής πάχυνσης της ιλύος της Β φάσης, παρέχει τη δυνατότητα παράκαμψης μέρους της παχυμένης περίσσειας ιλύος απευθείας προς τη μονάδα αφυδάτωσης Μονάδα Χώνευσης Ιλύος (Φάσεις Α και Β ): Το μίγμα των παχυμένων ιλύων σταθεροποιείται με αναερόβια χώνευση σε θερμοκρασία ο C. Η χώνευση της ιλύος επιτελείται στους τέσσερις χωνευτές της Α φάσης, συνολικού ωφέλιμου όγκου m 3 και στους τέσσερις νέους όμοιους χωνευτές της ίδιας χωρητικότητας, που μαζί με τους υφιστάμενους αποτελούν ενιαίο σύστημα χώνευσης. Ο χρόνος παραμονής σχεδιασμού της ιλύος ανέρχεται σε περίπου 17 ημέρες περίπου κατά τη χειμερινή περίοδο, για διάσπαση περίπου 45-50% των οργανικών στερεών της πρωτοβάθμιας ιλύος και 30% της δευτεροβάθμιας. Η ανάμιξη των χωνευτών A Φάσης επιτελείται με έξι εσωτερικές μονάδες θέρμανσης-ανάμιξης, ομοιόμορφα κατανεμημένες στην οροφή κάθε δεξαμενής, ενώ στους νέους χωνευτές με διάχυση βιοαερίου. Το βιοαέριο που παράγεται από τη μονάδα αναερόβιας χώνευσης οδηγείται στα δύο αεριοφυλάκια της Α φάσης, καθώς δε κρίθηκε απαραίτητη η προβλεπόμενη προσθήκη τρίτου αεριοφυλακίου. Το βιοαέριο χρησιμοποιείται για την ανάμιξη/ανακυκλοφορία της ιλύος στους χωνευτές, ενώ ένα τμήμα του καίγεται παράγοντας θερμότητα για την θέρμανση των χωνευτών. Το πλεονάζον βιοαέριο οδηγείται στη μονάδα παραγωγής ενέργειας ή καίγεται σε δαυλούς συνολικής δυναμικότητας 8000 m 3 /hr (Α φάση: 4400 m 3 /hr και Β φάση: m 3 /hr) Μονάδα Μεταπάχυνσης Αποθήκευσης Ιλύος (Φάσεις Α και Β ): Η χωνευμένη ιλύς προβλεπόταν να οδηγείται σε οκτώ κυκλικές δεξαμενές, συνολικού όγκου m 3, για μεταπάχυνση και αποθήκευση της ιλύος για την περίπτωση κατά την οποία διακόπτεται η λειτουργία της εγκατάστασης αφυδάτωσης για μικρό χρονικό διάστημα. Oι τέσσερις δεξαμενές συνολικού όγκου m 3 έχουν κατασκευασθεί στην Α φάση. Οι αρχικά προβλεπόμενοι τέσσερις πόσθετοι κυκλικοί μεταπαχυντές της Β φάσης τελικά αντικαταστάθηκαν από δύο ορθογωνικές δεξαμενές χωρητικότητας m 3. 15

16 1.3.6 Μονάδα Αφυδάτωσης Πρωτοβάθμιας Ιλύος (Φάσεις Α και Β ): Η χωνευμένη ιλύς οδηγείται στην ενιαία μονάδα αφυδάτωσης η οποία προβλεπόταν να αποτελείται από έξι ταινιοφιλτρόπρεσσες (η μία εφεδρική), πλάτους ταινίας δύο μέτρων και συνολικής δυναμικότητας 90 m 3 /hr, εγκατεστημένες από την Α φάση και σε νέα πρόσθετη μονάδα αφυδάτωσης με ταινιοφιλτρόπρεσσες ικανότητας αφυδάτωσης (χωρίς τις εφεδρικές), 9.625kg ξηρών στερεών την ώρα. Σύμφωνα με την Αναθεωρημένη Προμελέτη, το σύνολο των εγκαταστάσεων αφυδάτωσης, θα μπορούν να αφυδατώνουν την μέση ημερήσια παραγωγή χωνευμένης ιλύος (δηλαδή του μίγματος πρωτοβάθμιας και δευτεροβάθμιας) με λειτουργία 16 ωρών ημερησίως σε κανονικές συνθήκες, με περιεκτικότητα στερεών στην αφυδατωμένη ιλύς της τάξης του 25-28%. Τελικά η δυναμικότητα της μονάδας αφυδάτωσης για τη Β Φάση προσαυξήθηκε κατά 20% σε και, στο νέο κτίριο αφυδάτωσης εγκαταστάθηκαν 4 φυγοκεντρητές δυναμικότητας αφυδάτωσης 75 m 3 /hr χωνεμένης ιλύος, με πρόβλεψη για εγκατάσταση 2 πρόσθετων φυγοκεντρητών από την ΕΥΔΑΠ ώστε να παρέχεται δυνατότητα αφυδάτωσης του συνόλου της παραγόμενης χωνεμένης ιλύος από Α και Β Φάση. 16

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΙΙ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΥΦΙΣΤΑΜΕΝΗΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΚΑΙ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΝΕΡΓΟΥ ΙΛΥΟΣ ΣΤΟ ΚΕΛΨ 2.1 Περιγραφή Συστήματος Ενεργού Ιλύος Στο σύστημα ενεργού ιλύος πραγματοποιείται η βιολογική επεξεργασία των πρωτοβάθμιων επεξεργασμένων λυμάτων, η οποία έχει ως αποτέλεσμα την απομάκρυνση του οργανικού άνθρακα, αλλά και την απομάκρυνση του αζώτου με τις διεργασίες της νιτροποίησης και απονιτροποίησης. Η βιολογική βαθμίδα του ΚΕΛ Ψυττάλειας αποτελείται από 12 βιολογικούς αντιδραστηρές και 64 δεξαμενές τελικής καθίζησης. Κάθε βιοαντιδραστήρας είναι εξοπλισμένος με τρεις (3) αντλίες εσωτερικής ανακυκλοφορίας για τις ανάγκες της απονιτροποίησης έκαστης παροχής 1 m 3 /s, ενώ η εξωτερική ανακυκλοφορία της ενεργού ιλύος από τις δεξαμενές καθίζησης προς τους βιοαντιδραστήρες γίνεται από δώδεκα (12) υποβρύχιες αξονικές αντλίες, μοναδιαίας παροχής 1,5 m 3 /s. Το αντλιοστάσιο περίσσειας ιλύος αποτελείται από τέσσερις (4) φυγοκεντρικές αντλίες ξηρού τύπου, μοναδιαίας παροχής 0,2 m 3 /s. Ο συνολικός ωφέλιμος όγκος των βιοαντιδραστήρων είναι m 3, ο οποίος επιμερίζεται σε m 3 αναερόβιας ζώνης, m 3 ανοξικής ζώνης και m 3 αερόβιας ζώνης. Συγκεκριμένα, η κάθε γραμμή βιολογικής επεξεργασίας των προεπεξεργασμένων λυμάτων αποτελείται από μια αναερόβια δεξαμενή (D 1 ) όγκου 1405 m 3, μια ανοξική δεξαμενή (D 2/3 ) όγκου 7880 m 3,μια δεξαμενή αερισμού (A 1, A 2,A 3,A 4,A 5 ) όγκου m 3 και από δεξαμενή τελικής καθίζησης επιφάνειας 4323,2 m 2. Στα πλαίσια της αξιολόγησης της λειτουργικότητας της βιολογικής βαθμίδας του ΚΕΛΨ κρίθηκε σκόπιμη η αξιολόγηση των υφιστάμενων σχετικών με αυτή λειτουργικών δεδομένων. Ειδικότερα, συλλέχτηκαν και επεξεργάστηκαν στοιχεία για το χρονικό διάστημα 1/2/2008 έως 30/11/

18 Τα δεδομένα βάσει των οποίων γίνεται η αξιολόγηση που ακολουθεί, προέρχονται από μετρήσεις που έλαβαν χώρα στο κέντρο επεξεργασίας λυμάτων Ψυτττάλειας από το προσωπικό λειτουργίας. Για την αξιολόγηση του συστήματος ενεργού ιλύος χρησιμοποιήθηκαν τα ακόλουθα στοιχεία: Μετρήσεις διάφορων παραμέτρων των επεξεργασμένων λυμάτων στην είσοδο και στην έξοδο της βιολογικής βαθμίδας (π.χ. ph, BOD, COD, ΤΝ,TSS) Μετρήσεις της συγκέντρωσης των στερεών της περίσσειας ιλύος Μετρήσεις των συγκεντρώσεων των ΜLSS και MLVSS στο ανάμικτο υγρό Μετρήσεις του δείκτη καθιζησιμότητας SVI Μετρήσεις της ημερήσιας παροχής αέρα που διοχετεύτηκε στον αερόβιο αντιδραστήρα D1/A5 A4 A3 A2 D2/3 A1 Εικόνα 2.1: Σχηματική αναπαράσταση του βιολογικού αντιδραστήρα Στη παραπάνω εικόνα παρουσιάζεται η ροή των λυμάτων μέσα στα διαμερίσματα του βιολογικού αντιδραστήρα του ΚΕΛΨ. 18

19 2.2 Αξιολόγηση των εισερχομένων παροχών και ρυπαντικών φορτίων του συστήματος ενεργού ιλύος Παροχές εισόδου στο βιολογικό αντιδραστήρα Το γράφημα που ακολουθεί παρουσιάζει την αθροιστική κατανομή της παροχής εισόδου στο βιολογικό αντιδραστήρα. ΑΘΡΟΙΣΤΙΚΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΠΑΡΟΧΗΣ ΕΙΣΟΔΟΥ 1,200 1,000 Πιθανότητα 0,800 0,600 0,400 0,200 0, Q(m 3 /d) Διάγραμμα 2.1: Αθροιστική κατανομή παροχής εισόδου των λυμάτων στο βιολογικό αντιδραστήρα Από αυτό προσδιορίζεται η ελάχιστη, η μέση και η μέγιστη ετήσια παροχή των εισερχόμενων λυμάτων στον βιολογικό αντιδραστήρα. 19

20 ΧΡΟΝΟΣΕΙΡΑ ΠΑΡΟΧΩΝ Q(m 3 /d) /2/2008 1/4/2008 1/6/2008 1/8/2008 1/10/2008 Διάγραμμα 2.2: Χρονοσειρά παροχής εισόδου των λυμάτων στην είσοδο του βιολογικού αντιδραστήρα Το διάγραμμα 2.2 παρουσιάζει τη διακύμανση των εισερχόμενων παροχών στο σύστημα ενεργού ιλύος για το χρονικό διάστημα 1/2/ /11/2008. Υπέρβαση σημειώθηκε μόνο τρεις ημέρες μέσα στο δεκάμηνο γι αυτό και δεν επηρεάστηκαν οι μέσες μηνιαίες παροχές, οι οποίες είναι αρκετά χαμηλότερες από την παροχή σχεδιασμού ( m 3 /d). Στον πίνακα 2.1 παρατίθενται οι μηνιαίες παροχές εισόδου της βιολογικής βαθμίδας με βάση τα λειτουργικά αποτελέσματα της περιόδου Φεβρουάριος Νοέμβριος 2008, οι οποίες προέρχονται από μετρήσεις που έλαβαν χώρα στο ΚΕΛΨ από το προσωπικό λειτουργίας. Στον πίνακα αυτό παρατηρούνται η ελάχιστη, η μέση, η διάμεση και η μέγιστη τιμή αυτών που προέκυψε με την βοήθεια του διαγράμματος

21 Πίνακας 2.1: Μέσος όρος, διάμεση τιμή, μέγιστη και ελάχιστη τιμή των παροχών εισόδου στο βιολογικό αντιδραστήρα ΕΙΣΟΔΟΣ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΒΑΘΜΙΔΑΣ ΜΗΝΕΣ Q m 3 /d Φεβρουάριος Μάρτιος Απρίλιος Μάϊος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σεπτέμβριος Οκτώβριος Νοέμβριος Μέσος όρος Διάμεση τιμή Ελάχιστη τιμή Μέγιστη τιμή Παρατηρείται ότι η μέση ετήσια παροχή ( m 3 /d) και η μέγιστη ετήσια παροχή ( m 3 /d) των εισερχόμενων λυμάτων που προσδιορίσθηκαν από το διάγραμμα 2.1 για το χρονικό διάστημα 01/02/2008 εως 30/11/2008 είναι χαμηλότερες από την παροχή σχεδιασμού ( m 3 /d) κάτι που ήταν αναμενόμενο δεδομένου ότι ειδικά η παροχή σχεδιασμού είχε προσδιοριστεί περισσότερο για λόγους ασφάλειας του υδραυλικού σχεδιασμού παρά από εκτιμήσεις της εξέλιξης των αναμενόμενων παροχών Ρυπαντικά φορτία εισόδου στο βιολογικό αντιδραστήρα Στον πίνακα 2.2 παρατίθενται τα φορτία εισόδου της βιολογικής βαθμίδας με βάση τα λειτουργικά αποτελέσματα της περιόδου Φεβρουάριος Νοέμβριος 2008, τα οποία προέρχονται από μετρήσεις που έλαβαν χώρα στο ΚΕΛΨ από το προσωπικό λειτουργίας. Στον ακόλουθο πίνακα παρατηρούνται και οι μέσες μηνιαίες τιμές των φορτίων εισόδου, καθώς και οι τιμές αυτών για το 5, 50 και 95 % του συνόλου των δειγμάτων. 21

22 Πίνακας 2.2: Φορτία εισόδου στο βιοαντιδραστήρα για τους μήνες Φεβρουάριο-Νοέμβριο 2008 ΕΙΣΟΔΟΣ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΒΑΘΜΙΔΑΣ COD COD BOD BOD TSS TSS TN TN mg/l kg/d mg/l kg/d mg/l kg/d mg/l kg/d Φεβρουάριος Μάρτιος Απρίλιος Μάϊος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σεπτέμβριος Οκτώβριος Νοέμβριος Μέσος όρος Διάμεση τιμή ,05 (min) ,95 (max) Το ολικό άζωτο ΤΝ (πίνακας 2.2) αποτελείται από το αμμωνιακό άζωτο (ΝΗ 4 -Ν), το οργανικό άζωτο καθώς και από τα νιτρικά (ΝΟ 3 -Ν) και τα νιτρώδη (ΝΟ 2 -Ν). Για να υπολογιστεί το ολικό άζωτο στην είσοδο και την έξοδο του συστήματος της ενεργού ιλύος χρησιμοποιήθηκε ο παρακάτω τύπος : ΤΝ = ΤΚΝ ολ + ΝΟ 3 -Ν Σ αυτό το σημείο πρέπει να επισημανθεί ότι στην είσοδο του βιολογικού αντιδραστήρα υπήρξε διαθέσιμος περιορισμένος αριθμός μετρήσεων για το ΤΚΝ ολ σε αντίθεση με το διαλυτό ΤΚΝ (ΤΚΝ d ). Για να διεξαχθεί ασφαλές συμπέρασμα συμπληρώθηκαν τιμές για το ολικό ΤΚΝ με βάση την ακόλουθη μεθοδολογία : Απομονώνοντας τις διαθέσιμες μετρήσεις για το ΤΚΝ και το ΤΚΝ d, υπολογίστηκε το σωματιδιακό ΤΚΝ (ΤΚΝ p ) από τον τύπο : ΤΚΝ p = TKN ολ -TKN d 22

23 Έχοντας προσδιορίσει το ΤΚΝ p, υπολογίστηκε ο μέσος λόγος ΤΚΝ p /VSS = 0,07 Έπειτα πολλαπλασιάζεται ο παραπάνω μέσος λόγος (0,07) με τη συγκέντρωση των VSS ώστε να προκύψει το TKN p για τις ημέρες που δεν υπήρχαν μετρήσεις ΤΚΝ Τέλος, προστίθεται στο ΤΚΝ P η συγκέντρωση του TKN d και προκύπτει το ολικό ΤΚΝ. Με αυτό τον τρόπο εκτιμήθηκε το ΤΚΝ και για τις ημέρες στις οποίες δεν υπήρχε μέτρηση. Με δεδομένα τα λειτουργικά στοιχεία της περιόδου Φεβρουάριος Νοέμβριος 2008 προκύπτει ο πίνακας 2.3. Πίνακας 2.3: Σύγκριση φορτίων σχεδιασμού με φορτία λειτουργίας για τους μήνες Φεβρουάριος - Νοέμβριος 2008 Ρυπαντικά φορτία στην είσοδο του βιολογικού αντιδραστήρα Φορτία σχεδιασμού Φορτία λειτουργίας BOD (kg/d) Μέση τιμή Αιχμή * COD (kg/d) Μέση τιμή Αιχμή * SS (kg/d) Μέση τιμή Αιχμή * Ολικό Ν (kg/d) Μέση τιμή ** Αιχμή * * Για το 95% των δειγμάτων ** Διάμεση τιμή 23

24 Τα συμπεράσματα που προκύπτουν από την σύγκριση των στοιχείων σχεδιασμού με την υφιστάμενη κατάσταση είναι τα εξής: Σε ότι αφορά τα εισερχόμενα φορτία, από τη στατιστική επεξεργασία των δεδομένων εισόδου στο βιολογικό αντιδραστήρα του ΚΕΛΨ διαπιστώνεται ότι τα φορτία λειτουργίας υπερβαίνουν τα φορτία σχεδιασμού. Το μέσο οργανικό φορτίο (δηλαδή το ΒΟD και το COD) και το μέσο φορτίο στερεών που δέχεται η βιολογική βαθμίδα υπερβαίνουν κατά 20-30% το μέσο οργανικό φορτίο σχεδιασμού (20% σε ΒΟD και 29 % σε COD) και κατά 55% το μέσο φορτίο στερεών σχεδιασμού της εγκατάστασης αντίστοιχα. Τα μέσα φορτία αζώτου υπερβαίνουν τα φορτία σχεδιασμού κατά 8%. Ενδιαφέρον παρουσιάζει η σύγκριση των φορτίων αιχμής, καθώς αυτά αποτελούν τα φορτία σχεδιασμού και κατά συνέπεια σχετίζονται με τη δυναμικότητα της εγκατάστασης. Παρατηρείται ότι όλα τα ρυπαντικά φορτία εισόδου αιχμής που δέχεται η εγκατάσταση υπερβαίνουν τα αντίστοιχα του σχεδιασμού. Ειδικότερα, το μέγιστο οργανικό φορτίο (δηλαδή το ΒΟD και το COD) και το μέγιστο φορτίο στερεών που δέχεται η βιολογική βαθμίδα υπερβαίνουν κατά 50-60% το μέγιστο οργανικό φορτίο σχεδιασμού (54% σε ΒΟD και 56 % σε COD) και κατά 106% το μέγιστο φορτίο στερεών σχεδιασμού της εγκατάστασης αντίστοιχα. Τα μέγιστα φορτία αζώτου υπερβαίνουν τα φορτία σχεδιασμού κατά 51%. Τα μέσα φορτία σχεδιασμού στο 31, 45, 31 και 18% του χρόνου υπερβαίνονται για το COD, BOD, TN και τα TSS αντίστοιχα. Τα μέγιστα φορτία σχεδιασμού στο 70,70,67 και 64 % του χρόνου υπερβαίνονται για το COD, BOD, TN και τα TSS αντίστοιχα. Τα αυξημένα φορτία προκαλούν προβλήματα κυρίως στην επεξεργασία ιλύος, καθώς τα αυξημένα φορτία οδηγούν σε αυξημένες ποσότητες περίσσειας βιολογικής ιλύος. Είναι γεγονός ότι τα έργα επεξεργασίας ιλύος παρουσιάζουν λειτουργικά προβλήματα λόγω αδυναμίας υποδοχής και αποτελεσματικής επεξεργασίας του συνόλου της ιλύος. 24

25 Από τον πίνακα 2.4 διαπιστώνεται ότι στην είσοδο της εγκατάστασης του ΚΕΛΨ σε γενικές γραμμές επαληθεύονται τα φορτία σχεδιασμού με μια μικρή (2-6%) της τάξης του αύξηση ως προς το οργανικό φορτίο. Πίνακας 2.4: Σύγκριση φορτίων σχεδιασμού με φορτία λειτουργίας για τους μήνες Φεβρουάριος - Νοέμβριος 2008 Ρυπαντικά φορτία στην είσοδο του ΚΕΛΨ Φορτία σχεδιασμού Φορτία λειτουργίας BOD (kg/d) Μέση τιμή Αιχμή * COD (kg/d) Μέση τιμή Αιχμή * SS (kg/d) Μέση τιμή Αιχμή * Ολικό Ν (kg/d) Μέση τιμή ** Αιχμή * * Για το 95% των δειγμάτων ** Διάμεση τιμή Επομένως, τα αυξημένα φορτία BOD, TSS και COD που παρατηρούνται στην είσοδο της βιολογικής βαθμίδας δεν οφείλονται σε αύξηση των ρυπαντικών φορτίων στην είσοδο της εγκατάστασης του ΚΕΛΨ (μικρές αυξήσεις), αλλά στην επιφόρτιση των ΔΠΚ με τα στραγγίδια που επιστρέφουν από τους βαρυτικούς παχυντές, από τη μονάδα αφυδάτωσης και από τη μονάδα ξήρανσης. Η σύσταση των συνολικών στραγγιδίων ως προς τα TS είναι 64,4% από τους βαρυτικούς παχυντές, 10,9% από τη μονάδα ξήρανσης και 24,7% από τη μονάδα αφυδάτωσης (Νταουντάκη Ε.,2009). Συνεπώς, η σημαντικότερη εισφορά σε στερεά στο βιολογικό αντιδραστήρα προέρχεται από τους παχυντές της πρωτοβάθμιας ιλύος. 25

26 Σε ότι αφορά στη χρονική διακύμανση των παροχών και των ρυπαντικών φορτίων επισημαίνονται τα ακόλουθα : COD (kg/d) COD εισόδου στη βιολογική επεξεργασία ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ ΜΑΡΤΙΟΣ ΑΠΡΙΛΙΟΣ ΜΑΪΟΣ ΙΟΥΝΙΟΣ ΙΟΥΛΙΟΣ ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ COD λειτουργίας COD σχεδιασμού (μέσο) COD σχεδιασμού (αιχμής) Διάγραμμα 2.3: Σύγκριση φορτίων COD σχεδιασμού με φορτία COD λειτουργίας για τους μήνες Φεβρουάριο - Νοέμβριο 2008 Από το διάγραμμα 2.3 παρατηρείται ότι το COD λειτουργίας δεν υπερβαίνει το μέσο COD σχεδιασμού τους μήνες Ιούλιο - Οκτώβριο. Μεγαλύτερη απόκλιση παρατηρείται το μήνα Φεβρουάριο ( kg COD λειτ /d έναντι kg COD σχεδ /d). Σε ότι αναφορά τη σύγκριση του με το μέγιστο COD σχεδιασμού διαπιστώνεται ότι το υπερβαίνει μόνο τους μήνες Φεβρουάριο, Μάρτιο και Απρίλιο, στους οποίους σημειώθηκαν και οι μεγαλύτερες φορτίσεις στην εγκατάστασης του ΚΕΛΨ. BOD εισόδου στη βιολογική επεξεργασία BOD (kg/d) ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ ΜΑΡΤΙΟΣ ΑΠΡΙΛΙΟΣ ΜΑΪΟΣ ΙΟΥΝΙΟΣ ΙΟΥΛΙΟΣ ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ BOD λειτουργίας BOD σχεδιασμού (μέσο) ΒΟD σχεδιασμού (αιχμής) Διάγραμμα 2.4: Σύγκριση φορτίων BOD σχεδιασμού με φορτία BOD λειτουργίας για τους μήνες Φεβρουάριο - Νοέμβριο

27 Από το διάγραμμα 2.4 παρατηρείται ότι το ΒOD λειτουργίας δεν υπερβαίνει το μέσο ΒOD σχεδιασμού τους μήνες Ιούλιο - Νοέμβριο. Μεγαλύτερη απόκλιση παρατηρείται το μήνα Φεβρουάριο ( kg ΒOD λειτ /d έναντι kg BOD σχεδ /d). Σε ότι αναφορά τη σύγκριση του με το μέγιστο ΒOD σχεδιασμού διαπιστώνεται ότι το υπερβαίνει μόνο τους μήνες Φεβρουάριο, Μάρτιο και Απρίλιο, στους οποίους παρατηρήθηκαν και οι μεγαλύτερες φορτίσεις στην εγκατάσταση του ΚΕΛΨ. TSS εισόδου στη βιολογική επεξεργασία TSS(kg/d) ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ ΜΑΡΤΙΟΣ ΑΠΡΙΛΙΟΣ ΜΑΪΟΣ ΙΟΥΝΙΟΣ ΙΟΥΛΙΟΣ ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ TSS λειτουργίας TSS σχεδιασμού (μέσο) TSS σχεδιασμού (αιχμής) Διάγραμμα 2.5: Σύγκριση φορτίων TSS σχεδιασμού με φορτία TSS λειτουργίας για τους μήνες Φεβρουάριο - Νοέμβριο 2008 Από το διάγραμμα 2.5 παρατηρείται ότι το ΤSS λειτουργίας δεν υπερβαίνει το μέσο TSS σχεδιασμού μόνο τους μήνες Αύγουστο και Οκτώβριο. Μεγαλύτερη απόκλιση παρατηρείται το μήνα Φεβρουάριο ( kg ΤSS λειτ /d έναντι kg TSS σχεδ /d). Σε ότι αναφορά τη σύγκριση του με το μέγιστο ΤSS σχεδιασμού διαπιστώνεται ότι το υπερβαίνει μόνο τους μήνες Φεβρουάριο, Μάρτιο και Nοέμβριο. Το Νοέμβριο, η υπέρβαση που παρατηρείται είναι πολύ μικρή της τάξεως του 7%. 27

28 TN(kg/d) TN εισόδου στη βιολογική επεξεργασία ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ ΜΑΡΤΙΟΣ ΑΠΡΙΛΙΟΣ ΜΑΪΟΣ ΙΟΥΝΙΟΣ ΙΟΥΛΙΟΣ ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ TN λειτουργίας TN σχεδιασμού (μέσο) ΤΝ σχεδιασμού (αιχμής) Διάγραμμα 2.6: Σύγκριση φορτίων TN σχεδιασμού με φορτία TN λειτουργίας για τους μήνες Μάρτιο - Νοέμβριο 2008 Από το διάγραμμα 2.6 παρατηρείται ότι το TN λειτουργίας δεν υπερβαίνει το μέσο TN σχεδιασμού τους μήνες Ιούλιο - Οκτώβριο. Εκτός από τους μήνες Μάρτιο και Φεβρουάριο, στους υπόλοιπους μήνες η τιμή λειτουργίας είναι κοντά με τη τιμή σχεδιασμού όσο αναφορά το ολικό άζωτο. Σε ότι αναφορά τη σύγκριση του με το μέγιστο ΤΝ σχεδιασμού διαπιστώνεται ότι το υπερβαίνει μόνο τους μήνες Φεβρουάριο, Μάρτιο και Απρίλιο, δηλαδή για τους μήνες με τη μικρότερη θερμοκρασία. Τον Απρίλιο, το μέγιστο ΤΝ σχεδιασμού υπερβαίνεται οριακά από το από το ΤΝ λειτουργίας σε ποσοστό 8%. 2.3 Αξιολόγηση της ποιότητας εκροής του συστήματος ενεργού ιλύος Στο πίνακα 2.5 παρατίθενται τα φορτία εξόδου της βιολογικής βαθμίδας με βάση τα λειτουργικά αποτελέσματα της περιόδου Φεβρουάριος - Νοέμβριος 2008, τα οποία προέρχονται από μετρήσεις που έλαβαν χώρα στο ΚΕΛΨ από το προσωπικό λειτουργίας. Στο παρακάτω πίνακα παρατηρούνται και οι μέσες τιμές των φορτίων εισόδου, καθώς και οι τιμές αυτών για το 50 και 93 % του συνόλου των δειγμάτων. 28

29 Πίνακας 2.5: Παράμετροι στην έξοδο του ΚΕΛΨ για τους μήνες Φεβρουάριο - Νοέμβριο 2008 ΕΞΟΔΟΣ ΚΕΛΨ COD BOD TSS TΝ NH4-N NO3-N mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l Φεβρουάριος 59,6 23,6 18,6 15,5 6,6 3,4 Μάρτιος 60,3 24,2 17,1 12,1 5,5 1,6 Απρίλιος 51,5 21,8 16,7 11,2 5 1,8 Μάϊος 39,1 11,1 8,3 13 4,4 3,7 Ιούνιος 37,4 14 7,4 8,6 3,3 1,9 Ιούλιος 37,4 17,3 13,9 8,4 3,1 1,7 Αύγουστος 43,7 8,9 11,7 7,1 2,7 2,1 Σεπτέμβριος 106,9 22,2 31,7 15,6 4,9 4,5 Οκτώβριος 180,6 77,4 89,1 14,5 4 4,8 Νοέμβριος 163,1 59,7 82,2 14,5 3,9 4,9 Μέσος όρος 77, ,5 12,1 4,3 3,2 Διάμεση τιμή ,5 12,3 4,5 3,1 0,93 187, ,6 6,1 5,3 Όπως και στην είσοδο του βιολογικού αντιδραστήρα έτσι και στην έξοδο υπήρξε διαθέσιμος περιορισμένος αριθμός μετρήσεων για το ΤΚΝ ολ σε αντίθεση με το διαλυτό ΤΚΝ (ΤΚΝ d ). Για να διεξαχθεί ασφαλές συμπέρασμα συμπληρώθηκαν τιμές για το ολικό ΤΚΝ με βάση την ακόλουθη μεθοδολογία : Από βιβλιογραφικές αναφορές προσδιορίστηκε ο μέσος λόγος ΤΚΝ p /VSS = 0,08 Έπειτα πολλαπλασιάζεται ο παραπάνω μέσος λόγος (0,08) με τη συγκέντρωση των VSS ώστε να προκύψει το TKN p για τις ημέρες που δεν υπήρχαν μετρήσεις ΤΚΝ Τέλος, προστίθεται στο ΤΚΝ P η συγκέντρωση του TKN d και προκύπτει το ολικό ΤΚΝ. Με αυτό τον τρόπο εκτιμήθηκε το ΤΚΝ και για τις ημέρες στις οποίες δεν υπήρχε μέτρηση. Στη συνέχεια με τον τύπο ΤΝ = ΝΟ 3 -Ν + ΤΚΝ ολ προσδιορίστηκε το ολικό άζωτο στην έξοδο. 29

30 Πίνακας 2.6: ΝΗ 4 -Ν και ΝΟ 3- Ν στην έξοδο του βιοαντιδραστήρα και στην εκροή του ΚΕΛΨ για τους μήνες Φεβρουάριο - Νοέμβριο 2008 ΕΞΟΔΟΣ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΤΕΛΙΚΗ ΕΚΡΟΗ ΒΑΘΜΙΔΑΣ NH4-N NO3-N NH4-N NO3-N mg/l mg/l mg/l mg/l ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 6,5 3,8 6,6 3,4 ΜΑΡΤΙΟΣ 6,3 4,1 5,5 1,6 ΑΠΡΙΛΙΟΣ 6,1 4,4 5 1,8 ΜΑΪΟΣ 5,7 4,5 4,4 3,7 ΙΟΥΝΙΟΣ 3,6 1,7 3,3 1,9 ΙΟΥΛΙΟΣ 3,4 1,6 3,1 1,7 ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2,7 2,2 2,7 2,1 ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ 3,3 3,6 4,9 4,5 ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 4,2 5,1 4 4,8 ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ 4,2 5,5 3,9 4,9 Πρέπει να επισημανθεί ότι σε ορισμένους μήνες οι συγκεντρώσεις των νιτρικών και των αμμωνιακών της εξόδου του βιολογικού αντιδραστήρα είναι μεγαλύτερες από αυτές της εκροής (πίνακας 2.6). Περίπου 1mg/L NH 4 -N νιτροποιείται και 1 mg/l ΝΟ 3 -Ν απονιτροποιείται. Τα ανωτέρω έχουν σχέση με τις διεργασίες που λαμβάνουν χώρα τόσο μέσα στο κανάλι μέσω του οποίου το ανάμικτο υγρό οδηγείται στη ΔΤΚ (νιτροποίηση) όσο και εντός των ΔΤΚ (απονιτροποίηση). Στα ακόλουθα διαγράμματα παρουσιάζονται οι χρονικές διακυμάνσεις και οι αθροιστικές κατανομές των COD, BOD και TSS. 30

31 Διαγράμματα COD ΧΡΟΝΟΣΕΙΡΑ COD COD(mg/L) /2/ /3/ /5/ /6/ /8/2008 8/10/ /11/2008 Διάγραμμα 2.7: Χρονοσειρά συγκέντρωσης COD εξόδου από την εγκατάσταση ΑΘΡΟΙΣΤΙΚΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ COD πιθανότητα 1,100 1,000 0,900 0,800 0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0, COD (mg/l) Διάγραμμα 2.8: Αθροιστική κατανομή συγκέντρωσης COD εξόδου από την εγκατάσταση 31

32 Διαγράμματα BOD ΧΡΟΝΟΣΕΙΡΑ BOD BOD (mg/l) /2/ /3/ /5/ /6/ /8/2008 8/10/ /11/2008 Διάγραμμα 2.9: Χρονοσειρά συγκέντρωσης ΒΟD εξόδου από την εγκατάσταση ΑΘΡΟΙΣΤΙΚΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ BOD πιθανότητα 1,100 1,000 0,900 0,800 0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0, BOD (mg/l) Διάγραμμα 2.10: Αθροιστική κατανομή συγκέντρωσης BOD εξόδου από την εγκατάσταση 32

33 Διαγράμματα TSS ΧΡΟΝΟΣΕΙΡΑ TSS TSS (mg/l) /2/ /3/ /5/ /6/ /8/2008 8/10/ /11/2008 Διάγραμμα 2.11: Χρονοσειρά συγκέντρωσης TSS εξόδου από την εγκατάσταση ΑΘΡΟΙΣΤΙΚΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ TSS πιθανότητα 1,100 1,000 0,900 0,800 0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0, TSS (mg/l) Διάγραμμα 2.12: Αθροιστική κατανομή συγκέντρωσης TSS εξόδου από την εγκατάσταση Η απαιτούμενη ποιότητα των επεξεργασμένων λυμάτων μετά τη βιολογική επεξεργασία, καθορίστηκε σύμφωνα με τις απαιτήσεις της Οδηγίας 91/271 της Ε.Ε. για ευαίσθητους αποδέκτες και θεσμοθετήθηκε με την κοινή υπουργική απόφαση Α.Π / έγκρισης των περιβαλλοντικών όρων. Στον πίνακα 2.7 απεικονίζονται τα απαιτούμενα ποιοτικά χαρακτηριστικά των τελικών εκροών (μετά την έξοδο από τις δεξαμενές τελικής καθίζησης). 33

34 Παράμετρος Πίνακας 2.7: Όρια εκροής ΚΕΛΨ Χαρακτηριστικά επεξεργασμένων λυμάτων Ανώτατο όριο συγκέντρωσης Ελάχιστο ποσοστό δειγμάτων που θα ικανοποιούν τις απαιτήσεις* BOD 25 mg/l 93% COD 125 mg/l 93% TSS 35 mg/l 93% Ολικό άζωτο απομάκρυνση % σε ετήσιο μέσο όρο * Ελάχιστος αριθμός δειγμάτων ανά έτος, σύμφωνα με την Οδηγία 91/271 της Ε.Ε., είκοσι τέσσερα (24) ανά έτος. Με την Απόφαση Υοικ 8105/ του Νομάρχη Πειραιά, έχουν καθοριστεί επιπλέον τα παρακάτω όρια για τη διάθεση των επεξεργασμένων λυμάτων του ΚΕΛΨ στο Σαρωνικό κόλπο: Αμμωνιακό Άζωτο : <5mg/l Λίπη και Έλαια : <0,2mg/l Παρατηρείται από τα διαγράμματα 2.7,2.9 και 2.11, ότι ενώ κατά τη χρονική περίοδο Φεβρουαρίου Σεπτεμβρίου τα φορτία εξόδου COD, BOD και TSS από την εγκατάσταση διατηρούνται αρκετά χαμηλά σε σχέση με τα ανωτέρω όρια (πίνακας 2.7) που είναι 125, 25 και 35mg/L αντίστοιχα, τον Οκτώβριο και το Νοέμβριο είναι αρκετά αυξημένα. Ενδεικτικά επισημαίνεται ότι εάν εξαιρεθούν οι μήνες αυτοί τότε για το 93% του χρόνου προκύπτουν 106 mg/l COD, 25 mg/l BOD και 32 mg/l TSS, τιμές, που δεν υπερβαίνουν τα όρια της νομοθεσίας. Οι αυξημένες ποσότητες COD, BOD και TSS που παρατηρούνται τους μήνες Οκτώβριο και Νοέμβριο στην έξοδο της εγκατάστασης δεν αιτιολογούνται από τα φορτία εισόδου της βιολογικής βαθμίδας, καθώς τα COD, ΒΟD και TSS παρουσιάζουν τις μέγιστες τιμές του 34

35 στην είσοδο το Φεβρουάριο και το Μάρτιο. Θα πρέπει λοιπόν να διερευνηθούν οι λόγοι στους οποίους οφείλεται η αύξηση αυτή. Λόγω της έλλειψης μετρήσεων για το διαλυτό COD στην έξοδο της εγκατάστασης αυτό εκτιμήθηκε, ώστε να διερευνηθεί αν η βιολογική επεξεργασία επαρκεί για την απομάκρυνση του οργανικού άνθρακα. Χρησιμοποιώντας τον τύπο : COD d = COD εξόδου t 0,09COD εισόδου t ΤSS εξόδου, το διαλυτό COD στην έξοδο εκτιμήθηκε 0 mg/l τους μήνες Φεβρουάριο Αύγουστο, σε αντίθεση με του μήνες Σεπτέμβριο Νοέμβριο που κυμάνθηκε μεταξύ 30 50mg/L. Συμπεραίνεται ότι η βιολογική επεξεργασία επαρκεί για την απομάκρυνση του οργανικού άνθρακα καθώς τους μήνες με τα μεγαλύτερα φορτία το διαλυτό COD στην έξοδο ήταν 0 mg/l (Φεβρουάριος). Για αυτό το λόγο, τα αυξημένα φορτία στην εκροή στο χρονικό διάστημα Σεπτεμβρίου - Νοεμβρίου πιθανό να οφείλονται στην κακή καθιζησιμότητα της ιλύος (υπερβολική ανάπτυξη των νηματοειδών μικροοργανισμών) και στη φόρτιση στερεών των δεξαμενών τελικής καθίζησης. Αυτό φαίνεται και στον πίνακα 2.8, όπου για μεγαλύτερες τιμές του SVI από 200mL/grSS (κακή καθιζησιμότητα), τα στερεά στην εκροή της εγκατάστασης είναι αυξημένα. Πίνακας 2.8: TSS εκροής και SVI TSS mg/l SVI ml/gr SS [0-20] 175 [20-40] 218 [40-60] 226 [60-80] 231 [80-100] 265 [ ]

36 SVI (ml/gss) ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ TSS - SVI [0-20] [20-40] [40-60] [60-80] [80-100] [ ] TSS(mg/L) Διάγραμμα 2.13: Συσχέτιση της συγκέντρωσης TSS εξόδου από την εγκατάσταση με το SVI Από το διάγραμμα 2.13 παρατηρείται η συσχέτιση των TSS εξόδου από την εγκατάσταση με το SVI. Είναι προφανές ότι τα ΤSS εξ > 20mg/L σχετίζονται με SVI>200 ml/gss. Όσον αναφορά την απομάκρυνση του αζώτου, του οργανικού φορτίου και των στερεών από την εγκατάσταση επισημαίνονται τα ακόλουθα : Πίνακας 2.9: Απομάκρυνση ΤΝ για το χρονικό διάστημα Φεβρουάριο - Νοέμβριο Απομάκρυνση TN % Φεβρουάριος 78,9 Μάρτιος 82,0 Απρίλιος 83,5 Μάϊος 81,7 Ιούνιος 85,4 Ιούλιος 87,0 Αύγουστος 82,3 Σεπτέμβριος 64,7 Οκτώβριος 76,2 Νοέμβριος 81,6 Διάμεση τιμή 80,3 Από τον πίνακα 2.9 παρατηρείται ότι το Σεπτέμβριο πραγματοποιήθηκε η μικρότερη απομάκρυνση του ολικού αζώτου από την εγκατάσταση. Κάτι που δε φαίνεται λογικό, καθώς με εισροή μεγαλύτερων φορτίων τους μήνες Οκτώβριο και Νοέμβριο, προκύπτει καλύτερη 36

37 απομάκρυνση αζώτου. Δεδομένου ότι δεν υπήρξαν μετρήσεις για το ολικό άζωτο στην έξοδο είναι πιθανόν να υποεκτιμήθηκαν οι τιμές του για τις μέρες του Σεπτεμβρίου. Πίνακας 2.10: Απομάκρυνση ΒΟD, COD και TSS για το χρονικό διάστημα Φεβρουαρίου - Νοεμβρίου στο βιολογικό αντιδραστήρα Απομάκρυνση COD, BOD,TSS στη βιολογική βαθμίδα % COD % BOD % TSS Φεβρουάριος 93,2 94,1 95,8 Μάρτιος 92,8 93,0 95,3 Απρίλιος 92,4 93,2 92,2 Μάϊος 93,3 96,0 95,5 Ιούνιος 93,9 94,6 96,6 Ιούλιος 92,4 92,0 94,0 Αύγουστος 90,4 95,5 94,8 Σεπτέμβριος 78,7 89,5 84,4 Οκτώβριος 62,2 61,2 42,2 Νοέμβριος 72,0 75,4 70,0 Μέσος όρος 86,1 88,5 86,1 Από τις αποδόσεις παρατηρείται ότι η μονάδα επεξεργασίας λυμάτων λειτουργεί σε ικανοποιητικό βαθμό ως προς την απομάκρυνση των ολικών αιωρούμενων στερεών, COD και BOD για τους μήνες Φεβρουάριο εώς Αύγουστο. Τους υπόλοιπους μήνες παρατηρείται μειωμένη απόδοση απομάκρυνσης ως προς τα ΤSS, BOD και COD κάτι που οφείλεται σε λειτουργικά προβλήματα της εγκατάστασης που αναφέρθηκαν παραπάνω.. Τα συμπεράσματα που προκύπτουν για τη βιολογική επεξεργασία των λυμάτων και την ποιότητα της εκροής του ΚΕΛΨ είναι τα εξής : 37

38 Με βάση τα φορτία εισόδου στο βιολογικό αντιδραστήρα και τη μέση συγκέντρωση BOD 5 στην τελική εκροή, ο μέσος βαθμός απομάκρυνσης οργανικού φορτίου που επιτυγχάνει η εγκατάσταση είναι υψηλός και φθάνει το 88,5%. Πρέπει να σημειωθεί όμως ότι λόγω κάποιων υψηλών συγκεντρώσεων BOD στην τελική εκροή (ειδικότερα τους μήνες Σεπτέμβριο Νοέμβριο), η εγκατάσταση ικανοποιεί το όριο των 25 mg/l για το 76% των δειγμάτων και όχι για το 93% που προβλέπει η νομοθεσία για τα όρια εκροής του ΚΕΛΨ. Με βάση τα φορτία εισόδου στο βιολογικό αντιδραστήρα και τη μέση συγκέντρωση COD στην τελική εκροή, ο μέσος βαθμός απομάκρυνσης οργανικού φορτίου που επιτυγχάνει η εγκατάσταση είναι υψηλός και φθάνει το 86,1%. Πρέπει να σημειωθεί όμως ότι λόγω κάποιων υψηλών συγκεντρώσεων COD στην τελική εκροή (ειδικότερα τους μήνες Σεπτέμβριο Νοέμβριο), η εγκατάσταση ικανοποιεί το όριο των 125 mg/l για το 83% των δειγμάτων και όχι για το 93% που προβλέπει η νομοθεσία για τα όρια εκροής του ΚΕΛΨ. Με βάση τα φορτία εισόδου στο βιολογικό αντιδραστήρα και τη μέση συγκέντρωση TSS στην τελική εκροή, ο μέσος βαθμός απομάκρυνσης φορτίου στερεών που επιτυγχάνει η εγκατάσταση είναι υψηλός και φθάνει το 86,1%. Πρέπει να σημειωθεί όμως ότι λόγω κάποιων υψηλών συγκεντρώσεων ΤSS στην τελική εκροή (ειδικότερα τους μήνες Σεπτέμβριο Νοέμβριο), η εγκατάσταση ικανοποιεί το όριο των 35 mg/l για το 81% των δειγμάτων και όχι για το 93% που προβλέπει η νομοθεσία για τα όρια εκροής του ΚΕΛΨ. H απομάκρυνση ως προς το άζωτο παρατηρείται μέσα στα όρια σύμφωνα με τις απαιτήσεις της Οδηγίας 91/271 της Ε.Ε (70-80%). Οι συγκεντρώσεις της αμμωνίας και των νιτρικών στην εκροή της εγκατάστασης στο μεγαλύτερο ποσοστό των δειγμάτων είναι ιδιαίτερα χαμηλές. Συγκεκριμένα οι συγκεντρώσεις της αμμωνίας και των νιτρικών κυμαίνονται μεταξύ 3 7 mg/l και 2 6 mg/l αντίστοιχα. Τα προβλήματα που παρουσιάστηκαν στην εκροή οφείλονται στην κακή καθιζησιμότητα της ιλύος. Η αύξηση του δείκτη καθιζησιμότητας ιλύος (SVI) που παρουσιάστηκε τον μήνα Ιούλιο συνεχίζεται σταθερά καθόλη την διάρκεια του Σεπτεμβρίου, Οκτωβρίου και 38

39 Νοεμβρίου με την εμφάνιση ιδιαιτέρως υψηλών τιμών. Κατά τη διάρκεια αυτών των μηνών σημαντικές ποσότητες αφρού συσσωρεύτηκαν στο κανάλι ανάντη του μεριστή ανάμικτου υγρού προς τις δεξαμενές τελικής καθίζησης, παρά όμως την ανακυκλοφορία των αφρών προς τους βιοαντιδραστήρες με την λειτουργία του συστήματος συλλογής αφρών σημαντική ποσότητα αφρού διέφυγε προς τις δεξαμενές τελικής καθίζησης. Για να αντιμετωπιστούν τα προβλήματα του έντονου αφρισμού, διακόπηκε η λειτουργία του συστήματος συλλογής και ανακυκλοφορίας αφρών και ξεκίνησε η απομάκρυνση ποσοτήτων αφρολάσπης καθημερινά με μηχανικά μέσα. Προς τα τέλη του Σεπτεμβρίου και καθόλη τη διάρκεια των μηνών Οκτωβρίου και Νοεμβρίου στις δεξαμενές τελικής καθίζησης παρουσιάστηκε το φαινόμενο της διόγκωσης της ιλύος (bυlking) ενισχύοντας το πρόβλημα της καθιζησιμότητας και την εμφάνιση των επιπλεόντων στην επιφάνεια των δεξαμενών. Το πρόβλημα της διόγκωσης και της κακής καθιζησιμότητας συντέλεσε στη διαφυγή σημαντικών ποσοτήτων στερεών από τις δεξαμενές τελικής καθίζησης με αποτέλεσμα να επιβαρυνθεί η τελική εκροή του κέντρου. Το φαινόμενο αυτό εκτιμάται οτι παρουσιάστηκε λόγο της ισχυρής παρουσίας των μικροοργανισμών Τ1851, Thiothrix και Τ021Ν. Λόγω της διαφυγής των ποσοτήτων αυτών, για να διατηρηθεί η ενεργή βιολογική μάζα στους βιοαντιδραστήρες ήταν αναγκαία η διακοπή της λειτουργίας της μηχανικής πάχυνσης για 13 ημέρες (3/10/ /10/2008). Το φαινόμενο αφρισμού στους βιοαντιδραστήρες ήταν έντονο κατά την διάρκεια της περιόδου 01/09/08 30/11/08. Εικόνα 2.2: Φαινόμενο αφρισμού 39

40 2.4 Λειτουργικά χαρακτηριστικά συστήματος ενεργού ιλύος Στο πίνακα 2.11 παρατίθενται τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του συστήματος ενεργού ιλύος με βάση τα λειτουργικά αποτελέσματα της περιόδου Φεβρουάριος - Νοέμβριος 2008, τα οποία προέρχονται από μετρήσεις που έλαβαν χώρα στο ΚΕΛΨ από το προσωπικό λειτουργίας. Πίνακας 2.11: Λειτουργικά χαρακτηριστικά συστήματος ενεργού ιλύος για το χρονικό διάστημα Φεβρουαρίου Νοεμβρίου 2008 Θc (d) MLSS (mg/l MLVSS (mg/l) Θ (d) F/M (d -1 ) F/V (kg/d* m 3 ) SVI (ml/ grss DO (mg/ L) Φεβρουάριος 5,9 4764,3 3691,1 0,3 0,24 1, ,5 Μάρτιος 5,8 4215,7 3200,7 0,6 0,23 0, ,5 Απρίλιος 5,0 3886,7 3109,6 0,6 0,23 0, ,5 Μάιος 7,3 3910,5 3080,1 0,5 0,18 0, ,3 Ιούνιος 10,1 4252,8 3362,5 0,5 0,16 0, ,2 Ιούλιος 6,7 3220,6 2552,1 0,4 0,16 0, ,1 Αύγουστος 9,1 3529,2 2699,3 0,3 0,11 0, ,0 Σεπτέμβριος 5,5 3196,0 2568,0 0,4 0,16 0, ,0 Οκτώβριος 7,9 2668,5 2124,2 0,3 0,17 0, ,1 Νοέμβριος 4,9 2951,5 2431,7 0,4 0,17 0, ,0 Μέσος όρος 6,8 3646,1 2872,2 0,5 0,18 0, ,4 Όπου Θc, ο χρόνος παραμονής των στερεών, ο οποίος υπολογίζεται με το παρακάτω τύπο : V: ο όγκος της δεξαμενής αερισμού (m 3 ) MLSS: ολικά αιωρούμενα στερεά του ανάμικτου υγρού (mg/l) w: παροχή απομάκρυνσης της περίσσειας λάσπης από την ΕΕΛ (m 3 /d) 40

41 Q: παροχή εισόδου (m 3 /d) ΤSS ex : τα ολικά αιωρούμενα στερεά στην έξοδο (mg/l) SSu : Συγκέντρωση αιωρούμενων στερεών στην ιλύ (mg/l) Προκύπτει ότι η εγκατάσταση επεξεργάζεται τα λύματα με μέσο δεκαμηνιαίο Θc = 6,8days. Θ, ο υδραυλικός χρόνος παραμονής, ο οποίος υπολογίζεται : Ο χρόνος παραμονής στερεών και ο υδραυλικός χρόνος παραμονής είναι ανεξάρτητοι μεταξύ τους. Η οργανική φόρτιση της βιομάζας υπολογίζεται με τον ακόλουθο τρόπο : F M Food Microorganisms Q BODin MLSS V Όπου V: ο όγκος της δεξαμενής αερισμού (m 3 ) MLSS: ολικά αιωρούμενα στερεά του ανάμικτου υγρού (mg/l) ΒΟD in: διαλυτές οργανικές ουσίες στην είσοδο του βιοαντιδραστήρα (mg/l) Q: παροχή εισόδου (m 3 /d) Παρατηρείται ότι το F/M κυμαίνεται μεταξύ των 0,11 0,24 d -1. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη διαφορετικών μικροοργανισμών κατά τη διάρκεια του έτους. Αντίστοιχα η ογκομετρική οργανική φόρτιση υπολογίστηκε ως εξής : F V Food Volume Q BODin V Η μέση τιμή του λόγου αυτού για το χρονικό διάστημα Φεβρουάριος Νοέμβριος του 2008 υπολογίστηκε ίση με 0,67 kg/d/m 3. 41

42 Όπως φαίνεται στον πίνακα 2.11 και στο διάγραμμα 2.14 το SVI, το οποίο είναι δείκτης της καθιζησιμότητας της ιλύος, από το μήνα Αύγουστο εώς το Νοέμβριο υπερβαίνει τα 200 ml/gr SS κάτι που υποδεικνύει τη κακή καθιζησιμότητα της ιλύος στους μήνες αυτούς και την διαφυγή στερεών από την εκροή της εγκατάστασης. 350 ΧΡΟΝΟΣΕΙΡΑ SVI SVI (ml/gvss) /2/2008 1/4/2008 1/6/2008 1/8/2008 1/10/2008 Διάγραμμα 2.14: Χρονοσειρά του SVI (ml/gss) Παρακάτω φαίνεται η αθροιστική κατανομή του SVI : Αθροιστική καμπύλη SVI 1,2 1 Πιθανότητα 0,8 0,6 0,4 0, SVI (ml/gss) Διάγραμμα 2.15: Αθροιστική καμπύλη του SVI (ml/gss) 42

43 Από το παραπάνω διάγραμμα υπολογίζεται η τιμή του SVI στο 50%,60%,70%,80% και 90% του συνόλου των δειγμάτων : Πίνακας 2.12: Προσδιορισμός SVI στο 50%,60%,70%,80% και 90% του συνόλου των δειγμάτων SVI SVI SVI SVI SVI Η τιμή SVI είναι ίση με 200 για το 59% του συνόλου των δειγμάτων. 2.5 Απονιτροποίηση Η απονιτροποίηση πραγματοποιείται στην ανοξική δεξαμενή. Για να υπολογιστεί ο ρυθμός απονιτροποίησης θα πρέπει να είναι γνωστή η μάζα του αζώτου προς απονιτροποίηση. Ο υπολογισμός αυτός πραγματοποιήθηκε με στοιχεία για χρονικό διάστημα 10 μηνών (Φεβρουάριος Νοέμβριος 2008). Η ποσότητα των νιτρικών [ΝΟ 3 -Ν] που απονιτροποιούνται συνολικά δίνεται από τη σχέση: 3 ύ όπου ΤΝ ΕΙΣ (kg/d) = Q εισ.*τνεις (mg/l) ΤΝ ΕΞ (kg/d) = (Q W) *ΤΝ εξ (mg/l ) H μάζα Ν που εξέρχεται από τη λάσπη ανά ημέρα, κάνοντας τη παραδοχή ότι το 8% του αζώτου δεσμεύεται στην οργανική βιομάζα (ή 1 mg VSS έχει 0,08 mg οργανικού αζώτου) είναι : ΤΝ ιλύ =W*Su*MLVSS/MLSS*0,08 Ο ρυθμός απονιτροποίησης υπολογίζεται από τη παρακάτω σχέση : 43

44 Όπου Vd : όγκος ανοξικής δεξαμενής (m 3 ) MLVSS : οργανικά στερεά στην ανοξική δεξαμενή (kgvss/m 3 ) ΔΝΟ 3 -Ν : ποσότητα νιτρικών που απονιτροποιούνται (kgno 3 -N/d) Από τα παραπάνω υπολογίστηκε ο ρυθμός απονιτροποίησης για χρονικό διάστημα 10 μηνών και στον πίνακα που ακολουθεί παρατηρούνται οι μέσες μηνιαίες τιμές αυτού. Πίνακας 2.13: Προσδιορισμός ρυθμού απονιτροποίησης για το χρονικό διάστημα Φεβρουάριος Νοέμβριος 2008 ΔΝΟ 3 -Ν (kg/d) MLVSS (kgvss/m3) Vd (m 3 ) qdn (kgno 3 - N/kgVSS *d) qdn (gno 3 - N/kgVSS *h) qdn (gno 3 - N/kgVSS *h) στους 20οC Μέση θερμοκρασία ( ο C) Φεβρουάριος 45688,06 3, ,00 0,13 5,46 7,65 15 Μάρτιος 40812,00 3, ,00 0,13 5,62 6,88 17 Απρίλιος 29459,94 3, ,00 0,10 4,17 4,47 19 Μάιος 28380,53 3, ,00 0,10 4,06 3,55 22 Ιούνιος 31649,50 3, ,00 0,11 4,52 3,01 26 Ιούλιος 28407,65 2, ,00 0,13 5,35 3,11 28 Αύγουστος 25993,16 2, ,00 0,11 4,63 2,72 28 Σεπτέμβριος 17964,36 2, ,00 0,08 3,36 2,02 28 Οκτώβριος 29064,37 2, ,00 0,14 6,04 4,44 25 Νοέμβριος 27775,31 2, ,00 0,12 5,04 4,50 22 Μέσος όρος 30519,49 2, ,00 0,12 4,82 4,24 23 Η μέση τιμή του ρυθμού απονιτροποίησης που προκύπτει είναι ίση με q dn = 4,82 gno3-n/kgvss *h. 44

45 Με δεδομένα τα παραπάνω υπολογίστηκε και ο ρυθμός απονιτροποίησης στους 20 ο C σύμφωνα με τον τύπο : q DN ( T) ( 1 07) T 20 q DN ( 20) Από τα παραπάνω φαίνεται ότι ο μέσος ετήσιος ρυθμός απονιτροποίησης δεν αντιστοιχεί στο μέγιστο ρυθμό δεδομένου ότι οι συγκεντρώσεις νιτρικών στην έξοδο είναι κατά κανόνα πολύ μικρές (3-4 mg/l) και επομένως δεν έχει χρησιμοποιηθεί όλη η απονιτροποιητική ικανότητα της βιομάζας. Αντίθετα, κατά τους μήνες Οκτώβριο και Νοέμβριο όπου τα νιτρικά στην εκροή είναι 5 mg/l φαίνεται ότι προσεγγίζεται η μέγιστη ταχύτητα απονιτροποίησης στα 5-6 gno3-n/kgvss *h. Θα πρέπει να επισημανθεί ότι ο ρυθμός απονιτροποίησης είναι πρακτικά ο μέσος ρυθμός απονιτροποίησης της δεξαμενής D 2/3 και του καναλιού και δεδομένου ότι στο κανάλι οι ρυθμοί απονιτροποίησης αναμένεται να προσεγγίζουν αυτούς της ενδογενής απονιτροποίησης, εκτιμάται ότι ο ρυθμός απονιτροποίησης στη δεξαμενή D 2/3 είναι μεγαλύτερος από τον υπολογιζόμενο. 2.6 Νιτροποίηση Νιτροποίηση είναι η μετατροπή του αμμωνιακού αζώτου (ΝΗ4-Ν) σε νιτρικό άζωτο (ΝΟ3-Ν) που συντελείται τόσο από αυτοτροφικά όσο και από ετεροτροφικά βακτηρίδια. Αν και έχουν αναφερθεί ορισμένα είδη ετεροτροφικών μικροοργανισμών που είναι σε θέση να εκτελούν τη μετατροπή των (ΝΗ4-Ν) σε (ΝΟ3-Ν) είναι εξαιρετικά αμφίβολο αν είναι σπουδαίες οι ποσότητες των (ΝΟ3-Ν) που παράγονται από τα (ΝΗ4-Ν) στη φύση από τους ετεροτροφικούς οργανισμούς. Έτσι θεωρείται ότι οι κύριοι υπεύθυνοι για τη νιτροποίηση είναι οι αυτοτροφικοί οργανισμοί. Η νιτροποίηση πραγματοποιείται υπό αερόβιες συνθήκες. Ο ρυθμός νιτροποίησης υπολογίζεται από τη παρακάτω σχέση : AUR Vaer MLVSS 45

46 Όπου Vaer : όγκος δεξαμενής αερισμού (m 3 ) MLVSS : οργανικά στερεά στην αερόβια δεξαμενή (kgvss/m 3 ) ΔΝ: ποσότητα αζώτου που νιτροποιείται (kgn/d) [ΔΝ = ΤΚΝ εισ - ΝΗ4-Νεξ] Από το παραπάνω τύπο υπολογίστηκε ο ρυθμός νιτροποίησης για χρονικό διάστημα 10 μηνών και στον πίνακα που ακολουθεί παρατηρούνται οι μέσες μηνιαίες τιμές αυτού. Πίνακας 2.14: Προσδιορισμός ρυθμού νιτροποίησης για το χρονικό διάστημα Φεβρουάριος Νοέμβριος 2008 ΔΝ (kg/d) MLVSS (kgvss/ m3) Vaer(m3) AUR(kg N/kg VSS *d) AUR(gN/kg VSS *h) Μέση θερμοκρασία ( ο C) Φεβρουάριος 53617,8 3, ,081 3,39 15 Μάρτιος 44331,6 3, ,078 3,24 17 Απρίλιος 34726,9 3, ,063 2,61 19 Μάιος 34625,8 3, ,063 2,63 22 Ιούνιος 35278,0 3, ,064 2,67 26 Ιούλιος 31917,2 2, ,076 3,19 28 Αύγουστος 28575,2 2, ,065 2,70 28 Σεπτέμβριος 24593,6 2, ,059 2,44 28 Οκτώβριος 35767,6 2, ,095 3,94 25 Νοέμβριος 35300,5 2, ,081 3,39 22 Μέσος όρος 33901,83 2, ,78 0,071 3,02 23 Η μέση τιμή του ρυθμού νιτροποίησης προκύπτει ίση με ΑUR = 3,02 gn/kgvss *h. Λόγω των υψηλών συγκεντρώσεων αμμωνιακών (ΝΗ 4 - Ν) στην έξοδο ( < 3mg/L) η μέση ετήσια ταχύτητα νιτροποίησης όπως και οι επιμέρους μέσες μηνιαίες ταχύτητες νιτροποίησης για τις συγκεκριμένες συνθήκες κάθε μήνα (ρυπαντικά φορτία, θερμοκρασία) εκτιμάται ότι πλησιάζουν τη μέγιστη ταχύτητα νιτροποίησης. Για λόγους σύγκρισης υπολογίστηκε η αντίστοιχη ταχύτητα νιτροποίησης στους 20 ο C σύμφωνα με τη σχέση : 46

47 0 116 T 20 AUR( T) AUR 20C e ( ) AUR 20C Y N Όπου α% : ποσοστό νιτροποιητών Υ Ν : αυτοτροφικός συντελεστής βιομάζας ( 0,15 gr νιτροποιητών/ gr NH 4 -N) Τα αποτελέσματα φαίνονται στον πίνακα 2.15: Πίνακας 2.15: Προσδιορισμός του ρυθμού νιτροποίησης στους 20 ο C και της ταχύτητας νιτροποίησης μ Ν για το χρονικό διάστημα Φεβρουάριος Νοέμβριος 2008 AUR(gN/kg VSS *h) στους 20 ο C AUR(kgN/kg VSS *d) στους 20 ο C μ Ν (d -1 ) στους 20 ο C Φεβρουάριος 6,06 0,15 1,23 Μάρτιος 4,58 0,11 0,93 Απρίλιος 2,93 0,07 0,59 Μάιος 2,08 0,05 0,42 Ιούνιος 1,33 0,03 0,27 Ιούλιος 1,26 0,03 0,26 Αύγουστος 1,08 0,03 0,22 Σεπτέμβριος 1,02 0,02 0,21 Οκτώβριος 2,33 0,06 0,47 Νοέμβριος 2,80 0,07 0,57 Μέσος όρος 2,55 0,06 0,52 47

48 ΠΙΘΑΝΟΤΗΤΑ 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 ΑΘΡΟΙΣΤΙΚΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ μ Ν (20 o C) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 μ Ν (20 o C) Διάγραμμα 2.16: Αθροιστική κατανομή μ Ν (20 ο C) Από το διάγραμμα 2.16 προκύπτει ότι η διάμεση τιμή είναι 0,47 d -1. Για τον υπολογισμό του πληθυσμού των νιτροποιητών από το σύνολο των μικροοργανισμών χρησιμοποιούμε τον παρακάτω τύπο : % 4 4 COD Όπου α% : ποσοστό νιτροποιητών Υ Ν : αυτοτροφικός συντελεστής βιομάζας ( 0,15 gr νιτροποιητών/ gr NH 4 -N) Y H : ετεροτροφικός συντελεστής βιομάζας (gr ετεροτροφικών/ gr COD) ΔΝΗ 4 -Ν : ΝΗ 4- Ν στον βιοαντιδραστήρα ΔCOD : οργανικό φορτίο στον βιοαντιδραστήρα MLVSS/MLSS : 0,78 48

49 Πίνακας 2.16: Προσδιορισμός του ποσοστού των νιτροποιητών για το χρονικό διάστημα Φεβρουάριος Νοέμβριος 2008 Yh (gss/gcod) YΝ (g νιτροποιητών/ gνη 4 -Ν) ΔΝΗ 4 - Ν (mg/l) ΔCOD (mg/l) α % Φεβρουάριος 0,46 0,15 43,93 793,32 2,3 Μάρτιος 0,44 0,15 42,87 753,80 2,4 Απρίλιος 0,60 0,15 38,33 611,68 2,0 Μάιος 0,46 0,15 39,96 529,62 3,1 Ιούνιος 0,44 0,15 36,94 570,00 2,8 Ιούλιος 0,60 0,15 36,87 448,91 2,6 Αύγουστος 0,69 0,15 33,48 401,80 2,3 Σεπτέμβριος 0,77 0,15 31,53 380,52 2,0 Οκτώβριος 0,76 0,15 41,97 295,43 3,5 Νοέμβριος 0,72 0,15 38,29 411,35 2,4 Μέσος όρος 0,59 0,15 38,30 515,60 2,5 Η μέση τιμή του ποσοστού των νιτροποιητών στον βιοαντιδραστήρα προέκυψε ίση με α% = 2,5%, τιμή που έρχεται σε συμφωνία με μετρηθείσες τιμές που αναφέρονται σε ΕΕΛ στην Ελλάδα (2-3%). Μεγαλύτερο ποσοστό παρατηρήθηκε το μήνα Οκτώβριο (3,5%) και αυτό οφείλεται στο συνδυασμό των παρακάτω παραγόντων: (α) στην σχετικά υψηλή θερμοκρασία (24,5 ο C), (β) στο μεγάλο Θc (7,9 days), άλλα και (γ) στη μεγάλη ποσότητα ΝΗ 4 -Ν 2.7 Προσδιορισμός του απαιτούμενου Ο 2 Το συνολικά απαιτούμενο οξυγόνο υπολογίζεται από το άθροισμα της ποσότητας του οξυγόνου που απαιτείται για κατανάλωση της οργανικής τροφής (αναπνοή) συν το οξυγόνο που απαιτείται για τη νιτροποίηση και της απαιτούμενης ποσότητας οξυγόνου για ενδογενή αναπνοή, αν αφαιρέσουμε την ποσότητα οξυγόνου που κερδίζουμε από την απονιτροποίηση. Τα προαναφερθέντα υπολογίζονται με τον εξής τύπο: 49

50 R 0,59 E H Q FO 4,3 E N Q S NHo 0,024 V S R t 2, όπου R = ζήτηση οξυγόνου (Kg/ημ) S = συγκέντρωση στερεών ανάμικτου υγρού (Kg/m3 ) V = όγκος δεξαμενών αερισμού (m3 ) Fo = BOD στην είσοδο S NHo = διαλυτό άζωτο στην είσοδο ΔΝΟ3-Ν = νιτρικά που απονιτροποιούνται Rεt = ειδική ταχύτητα ζήτησης οξυγόνου λόγω ενδογενούς αναπνοής (gro2/kg στερεών ανάμικτου υγρού, S) Η ειδική ταχύτητα ζητήσεως οξυγόνου Rε που χρησιμοποιήθηκε είναι 5 gro2/kg MLSS για Τ=20 C. Για άλλες θερμοκρασίες (στο διάστημα 8-28 C) η τιμή του Rε μεταβάλεται ως εξής: Rεt = Rε20 exp(0,07 (Τ-20)). Αρχικά υπολογίζεται η ειδική ταχύτητα ζήτησης οξυγόνου λόγω ενδογενούς αναπνοής από τη σχέση: R t R 20 exp 0,07 (T 20) Από τα παραπάνω υπολογίζεται το R=OTR( KgO 2 /d) Η μετατροπή του ΟΤR σε SOTR γίνεται με την εφαρμογή της σχέσης: OTR = [(a*f) * SOTR * θ T-20 ] * (C STb C)/C S20 Όπου: θ=1,024 T= θερμοκρασία ( o C) a*f=0,4-0,6=0,5 (δείχνει την επίδραση λόγω γήρανσης των διαχυτών) C Τ STb (mg/l) C S20 = 9,02 mg/l C=2 mg/l Η απαιτούμενη παροχή αέρα από τους φυσητήρες υπολογίζεται ως εξής : 50

51 Q έ kg έ 4,31 kgo2 kg 1,2 3 m έ έ kgo SOTR hr % 2 Όπου ε% = απόδοση των διαχυτήρων (=0,45) Από το παραπάνω τύπο υπολογίστηκε το απαιτούμενο Ο 2 για χρονικό διάστημα 10 μηνών και στον πίνακα που ακολουθεί παρατηρούνται οι μέσες μηνιαίες τιμές αυτού. Πίνακας 2.17: Προσδιορισμός απαιτούμενου Ο 2 για το χρονικό διάστημα Φεβρουάριος Νοέμβριος 2008 OTR (kgo 2 /d) SOTR (kgo 2 /h) Nair (m 3 /h) Nair (Nm 3 /h) MLVSS (kg/m 3 ) T ( o C) Ret (gro 2 /Kg MLSS) Φεβρουάριος , ,63 Μάρτιος , ,23 Απρίλιος , ,71 Μάιος , ,84 Ιούνιος , ,60 Ιούλιος , ,60 Αύγουστος , ,52 Σεπτέμβριος , ,38 Οκτώβριος , ,82 Νοέμβριος , ,63 Μέσος όρος , , , ,8 2, ,40 Η μέση τιμή του απαιτούμενου Ο 2 προκύπτει ίση με Νair= Nm 3 /h 51

52 Πίνακας 2.18: Σύγκριση του απαιτούμενου Ο 2 για το χρονικό διάστημα Φεβρουάριος Νοέμβριος 2008 Nair (Nm 3 /h) Nair ΚΕΛΨ (Nm 3 /h) Φεβρουάριος Μάρτιος Απρίλιος Μάιος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σεπτέμβριος Οκτώβριος Νοέμβριος Από τα παραπάνω προκύπτει ότι με εξαίρεση τους μήνες Ιούλιο, Οκτώβριο και Νοέμβριο ο απαιτούμενος αέρας είναι σημαντικά μεγαλύτερος από τον προσφερόμενο. Ειδικότερα, το Φεβρουάριο, το Μάρτιο, τον Απρίλιο, τον Ιούνιο, τον Αύγουστο και το Σεπτέμβριο ο προσφερόμενος αέρας είναι 46, 20, 9, 6, 19 και 7 % μικρότερος από τον αντίστοιχο θεωρητικά απαιτούμενο σύμφωνα με τα λειτουργικά δεδομένα. Οι διαφορές αυτές ανάμεσα στον θεωρητικά απαιτούμενο αέρα και τον προσφερόμενο μπορεί ενδεχομένως να σχετίζεται με την προβληματική λειτουργία των μετρητών διαλυμένου οξυγόνου, οι οποίοι είναι εγκατεστημένοι στα αερόβια διαμερίσματα των βιολογικών αντιδραστήρων. Παρατηρείται ότι το Φεβρουάριο με μικρότερο προσφερόμενο αέρα από τον Απρίλιο, επιτυγχάνεται παρόμοια ποιότητα εκροής, κάτι που δεν είναι λογικό, καθώς ο Φεβρουάριος, είναι ένας μήνας με μεγαλύτερα εισερχόμενα φορτία στην εγκατάσταση και με μικρότερη θερμοκρασία από τον Απρίλιο. Επομένως, θα αναμενόταν ο προσφερόμενος αέρας στους βιοαντιδραστήρες αυτό τον μήνα να είναι μεγαλύτερος ( κατά 20%) για να επιτευχθεί ποιότητα εκροής παρόμοια με αυτή του Απριλίου. Η ανωτέρω διαπίστωση πρακτικά οδηγεί στο συμπέρασμα ότι τα λειτουργικά δεδομένα είναι ουσιαστικά αντικρουόμενα, γεγονός που θα διερευνηθεί περαιτέρω μέσω μαθηματικής προσομοίωσης της βιολογικής βαθμίδας. 52

53 Στον ακόλουθο πίνακα παρουσιάζεται η κατανομή του αέρα στα 4 αερόβια διαμερίσματα : Πίνακας 2.19: Κατανομή αέρα στα 4 αερόβια διαμερίσματα (Α1,Α2,Α3 και Α4) του βιοαντιδραστήρα για το χρονικό διάστημα Φεβρουάριος Νοέμβριος 2008 A1 (%) A2 (%) A3 (%) A4 (%) Φεβρουάριος Μάρτιος Απρίλιος Μάιος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σεπτέμβριος Οκτώβριος Νοέμβριος Μέσος όρος Όπως και ήταν αναμενόμενο το μεγαλύτερο ποσοστό της συνολικής παροχής αέρα (56%) χρησιμοποιείται στο πρώτο διαμέρισμα (Α1), στο οποίο οι απαιτήσεις είναι μεγαλύτερες λόγω των υψηλών φορτίσεων. Στο δεύτερο αερόβιο διαμέρισμα (Α2) οι συγκεντρώσεις των ρυπαντικών φορτίων είναι χαμηλότερες, λόγω της βιολογικής επεξεργασίας που επιτυγχάνεται στο Α1 και γι αυτό το λόγο οι απαιτήσεις για αέρα μειώνονται (29%). Στη συνέχεια, χαμηλότερες ακόμα φορτίσεις εισέρχονται σε μικρότερου όγκου αερόβια διαμερίσματα (Α3 και Α4), με αποτέλεσμα οι απαιτήσεις του αέρα γι αυτές να είναι της τάξεως του 6-10% επί της συνολικής παροχής αέρα που διοχετεύεται στο βιοαντιδραστήρα. 2.8 Δεξαμενή τελικής καθίζησης Για τη δεξαμενή τελικής καθίζησης υπολογίστηκε η υδραυλική φόρτιση και η φόρτιση στερεών. Παρακάτω παρουσιάζονται τα διαγράμματα της χρονικής διακύμανσης της υδραυλικής φόρτισης και της φόρτισης στερεών. 53

54 ΧΡΟΝΟΣΕΙΡΑ ΥΔΡΑΥΛΙΚΗΣ ΦΟΡΤΙΣΗΣ q (m 3 /m 2 /d) /2/2008 1/4/2008 1/6/2008 1/8/2008 1/10/2008 Διάγραμμα 2.17: Χρονοσειρά της υδραυλικής φόρτισης (m 3 /m 2 /d) ΧΡΟΝΟΣΕΙΡΑ ΦΟΡΤΙΣΗΣ ΣΤΕΡΕΩΝ G (kgss/m 2 /d) /2/2008 1/4/2008 1/6/2008 1/8/2008 1/10/2008 Διάγραμμα 2.18: Χρονοσειρά της φόρτισης στερεών (kgss/m 2 /d) 54

55 Όπως παρατηρείται από τo διάγραμμα 2.17 δεν υπάρχουν ιδιαίτερες διακυμάνσεις στην υδραυλική φόρτιση. Ενώ από το διάγραμμα 2.18 διαπιστώνεται αύξηση της φόρτισης στερεών τους μήνες Φεβρουάριο και Μάρτιο. Πίνακας 2.20: Υδραυλική φόρτιση και φόρτιση στερεών για το χρονικό διάστημα Φεβρουάριος Νοέμβριος ΥΔΡΑΥΛΙΚΗ ΦΟΡΤΙΣΗ ΦΟΡΤΙΣΗ ΣΤΕΡΕΩΝ m 3 /(m 2 *d) kg/(m 2 *d) ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ ΜΑΡΤΙΟΣ ΑΠΡΙΛΙΟΣ ΜΑΙΟΣ ΙΟΥΝΙΟΣ ΙΟΥΛΙΟΣ ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ Μέσος όρος Τλ o C Η υδραυλική φόρτιση και η φόρτιση στερεών των δεξαμενών τελικής καθίζησης είναι 14 m 3 /m 2 -ημ και 104 kg/m 2 -ημέρα, αντίστοιχα. Οι τιμές της υδραυλικής φόρτισης είναι παρόμοιες με τις συνιστώμενες στη βιβλιογραφία τιμές που κυμαίνονται μεταξύ Kg/m 2 -ημέρα, αντίστοιχα. Όσον αφορά τις τιμές της φόρτισης στερεών παρατηρείται ότι η μέση τιμή δεν αποκλίνει από τη τιμή που αναφέρεται στη βιβλιογραφία (<120 kgss/m 3 - ημέρα). Όμως τους μήνες Φεβρουάριο και Μάρτιο είναι αρκετά μεγαλύτερη και αυτό έχει ως αποτέλεσμα η ΔΤΚ να μην εμφανίζει κανένα περιθώριο ασφαλείας και να φαίνεται να λειτουργεί οριακά με αποτέλεσμα να μην είναι δυνατή η αποτελεσματική αντιμετώπιση μεγαλύτερων φορτίων ή και περιστασιακών προβλημάτων αφρισμού και διόγκωσης της ιλύος. 55

56 2.8.1 Παραγωγή ιλύος Στον ακόλουθο πίνακα παρουσιάζονται οι μέσες μηνιαίες παροχές και συγκεντρώσεις της περίσσειας ιλύος, καθώς και η μάζα της. Πίνακας 2.21: Παραγόμενη βιομάζα για το χρονικό διάστημα Φεβρουαρίου - Νοεμβρίου w (m 3 /d) Ssu (mg/l) στο βιολογικό αντιδραστήρα w*ssu (kg/d) Ισοδύναμοι κάτοικοι (Ι.Κ.) παραγόμενη βιομάζα g/(ι.κ.*ημέρα) SVI (ml/grss Φεβρουάριος Μάρτιος Απρίλιος Μάιος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σεπτέμβριος Οκτώβριος Νοέμβριος Μέσος όρος Μια πρώτη παρατήρηση που προκύπτει από τον ανωτέρω πίνακα είναι ότι όσο αυξάνεται ο δείκτης καθιζησιμότητας τόσο μειώνεται και η συγκέντρωση των στερεών της περίσσειας ιλύος. Κάτι που ήταν αναμενόμενο γιατί σε μεγαλύτερες τιμές του SVI από 200 ml/gss προκύπτει κακή καθιζησιμότητα της ιλύος και διαφυγή στερεών από την εκροή της εγκατάστασης ΚΕΛΨ. Η μέγιστη παραγωγή ιλύος που παρατηρείται το Φεβρουάριο σχετίζεται με τα μέγιστα οργανικά φορτία (BOD,COD) και τα μέγιστα φορτία στερεών στην είσοδο της βιολογικής βαθμίδας. Στον πίνακα παρουσιάζεται και η ειδική παραγωγή ιλύος σε όρους gss ανά ισοδύναμο κάτοικο (Ι.Κ.) και ημέρα. Προκειμένου να γίνει ο υπολογισμός αυτός, υπολογίστηκαν οι ισοδύναμοι κάτοικοι από το εισερχόμενο φορτίο ΒΟD, θεωρώντας ότι ένα ισοδύναμος κάτοικος παράγει ημερήσια 60gBOD. Η μέση παραγόμενη βιομάζα που υπολογίστηκε ανά ισοδύναμο κάτοικο και ημέρα ήταν 48g, ποσότητα αρκετά μεγάλη. 56

57 Με βάση τα λειτουργικά δεδομένα επιχειρήθηκε και ο υπολογισμός του συντελεστή μετατροπής βιομάζας Υ Η. Καταρχήν, υπολογίστηκε ο φαινομενικός συντελεστής μετατροπής βιομάζας Υ obs από τον τύπο : Όπου w: παροχή απομάκρυνσης της περίσσειας λάσπης από την ΕΕΛ (m 3 /d) Q: παροχή εισόδου (m 3 /d) S e : τα ολικά αιωρούμενα στερεά στην έξοδο (mg/l) SSu : Συγκέντρωση αιωρούμενων στερεών στην ιλύ (mg/l) Cin : COD εισόδου (mg/l) Cout : COD εξόδου (mg/l) Στη συνέχεια υπολογίζεται ο συντελεστής μετατροπής βιομάζας των ετεροτροφικών μικροοργανισμών Υ Η από τη σχέση : Y H Y obs 1 b C Όπου Θ c : o χρόνος παραμονής στερεών b: συντελεστής φθοράς της μικροβιακής μάζας (= 0,05 d -1 ) Από το παραπάνω τύπο υπολογίστηκε το Y H για χρονικό διάστημα 10 μηνών και στον πίνακα που ακολουθεί παρατηρούνται οι μέσες μηνιαίες τιμές αυτού. 57

58 Πίνακας 2.22: Προσδιορισμός του Υ Η για το χρονικό διάστημα Φεβρουάριος Νοέμβριος Η μέση τιμή του Υ Η προκύπτει ίση με 2008 Y obs (kgss/kgcod) Yh (kgss/kgcod) Φεβρουάριος 0,36 0,46 Μάρτιος 0,34 0,44 Απρίλιος 0,48 0,60 Μάιος 0,34 0,46 Ιούνιος 0,30 0,44 Ιούλιος 0,45 0,60 Αύγουστος 0,48 0,69 Σεπτέμβριος 0,60 0,77 Οκτώβριος 0,56 0,76 Νοέμβριος 0,58 0,72 Μέσος όρος 0,45 0,59 Υ Η = 0,59 kgss/kgcod ή 0,46 kgvss/kg COD (αφού MLVSS/MLSS=0,78) Είναι γνωστό ότι το απαιτούνται 1,42gCOD για την οξείδωση 1 g VSS και επομένως 0,46kgVSS/kgCOD τυπική τιμή του Y H = 0,67 kgcod/kgcod που προτείνει η IWA. 0,65 kgcod/kgcod, τιμή που είναι πολύ κοντά στην Από τον πίνακα 2.22 παρατηρούνται στους μήνες Σεπτέμβριο, Οκτώβριο και Νοέμβριο μεγαλύτερες τιμές του συντελεστή μετατροπής βιομάζας των ετεροτροφικών μικροοργανισμών Υ Η, απ ότι στους άλλους μήνες. Αν πραγματοποιηθεί σύγκριση μεταξύ του Υ Η που προκύπτει από τους μήνες Φεβρουάριο Αύγουστο με το αντίστοιχο των μηνών Σεπτέμβριο Νοέμβριο θα διαπιστωθεί μεγάλη διαφορά (0,53 έναντι 0,75 kgss/kgcod). Αυτό οφείλεται στο Θ c, αλλά κυρίως στα αυξημένα ΤSS στην εκροή, που προέκυψαν λόγω λειτουργικών προβλημάτων στη δεξαμενή τελικής καθίζησης τους μήνες αυτούς. 58

59 2.9 Συμπεράσματα Τα φορτία που εισέρχονται στη βιολογική βαθμίδα είναι αυξημένα σε σχέση με τα φορτία εισόδου της εγκατάστασης, καθώς έχουν προστεθεί και τα στραγγίδια των βαρυτικών παχυντών, των μονάδων αφυδάτωσης και ξήρανσης. Η σημαντικότερη εισφορά σε στερεά στο βιολογικό αντιδραστήρα προέρχεται από τους παχυντές της πρωτοβάθμιας ιλύος. Αν και η βιολογική επεξεργασία για τα εισερχόμενα φορτία φαίνεται ότι επαρκεί, σημειώνεται υπέρβαση των ορίων της νομοθεσίας, η οποία οφείλεται στην κακή καθιζησιμότητα της ιλύος για το χρονικό διάστημα 01/08/ /11/2008 (τιμές SVI>200). Προέκυψε συσχέτιση του δείκτη καθιζησιμότητας (SVI) με τα στερεά εκροής (TSS εκροής ), καθώς για συγκεντρώσεις ΤSS εξ > 20mg/L, τα SVI>200 ml/gss. Το χρονικό διάστημα Φεβρουαρίου- Νοεμβρίου 2008, η οργανική φόρτιση της βιομάζας F/M κυμάνθηκε μεταξύ των τιμών 0,11 0,24 d -1. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη διαφορετικών μικροοργανισμών κατά τη διάρκεια του έτους. Λόγω των αυξημένων φορτίων στην είσοδο της εγκατάστασης, παράγεται μεγάλη ποσότητα βιομάζας. Ο συντελεστής μετατροπής βιομάζας των ετεροτροφικών μικροοργανισμών υπολογίστηκε ίσος με 0,65 kgcod/kgcod, τιμή που είναι πολύ κοντά στην τυπική τιμή του Y H = 0,67 kgcod/kgcod που προτείνει η IWA Προσδιορίστηκε ο μέσος ρυθμός απονιτροποίησης της δεξαμενής D 2/3 και του καναλιού (στην εξωτερική ανακυκλοφορία) και διαπιστώθηκε ότι δεν χρησιμοποιείται όλη η απονιτροποιητική ικανότητα της βιομάζας για το μεγαλύτερο διάστημα. Υπολογίστηκε η μέση ετήσια ταχύτητα νιτροποίησης με συγκεκριμένες συνθήκες (ρυπαντικά φορτία, θερμοκρασία) και εκτιμήθηκε ότι πλησιάζει τη μέγιστη ταχύτητα νιτροποίησης στις συνθήκες αυτές. Προσδιορίστηκε το ποσοστό των νιτροποιητών στον βιοαντιδραστήρα α% = 2,5%, τιμή που έρχεται σε συμφωνία με μετρηθείσες τιμές που αναφέρονται σε ΕΕΛ στην Ελλάδα (2-3%). Μεγαλύτερο ποσοστό παρατηρήθηκε το μήνα Οκτώβριο (3,5%). Υ Η 59

60 Οι τιμές της υδραυλικής φόρτισης είναι παρόμοιες με τις συνιστώμενες στη βιβλιογραφία τιμές που κυμαίνονται μεταξύ Kg/m 2 -ημέρα, αντίστοιχα. Όσο αναφορά τις τιμές της φόρτισης στερεών παρατηρείται ότι η μέση τιμή δεν αποκλίνει από τη τιμή που αναφέρεται στη βιβλιογραφία (<120 kgss/m 3 -ημέρα). Σε ορισμένους μήνες (Φεβρουάριο, Μάρτιο) όμως οι τιμές αυτής είναι αρκετά μεγαλύτερες και αυτό έχει ως αποτέλεσμα η ΔΤΚ να μην εμφανίζει κανένα περιθώριο ασφαλείας και να φαίνεται να λειτουργεί οριακά με αποτέλεσμα να μην είναι δυνατή η αποτελεσματική αντιμετώπιση μεγαλύτερων φορτίων ή και περιστασιακών προβλημάτων αφρισμού και διόγκωσης της ιλύος. Στο χρονικό διάστημα που αξιολογήθηκε το σύστημα ενεργού ιλύος της εγκατάστασης προέκυψε ότι με εξαίρεση τους μήνες Ιούλιο, Οκτώβριο και Νοέμβριο ο απαιτούμενος αέρας είναι σημαντικά μεγαλύτερος από τον προσφερόμενο. Η ανωτέρω διαπίστωση πρακτικά οδηγεί στο συμπέρασμα ότι τα λειτουργικά δεδομένα είναι ουσιαστικά αντικρουόμενα, γεγονός που θα διερευνηθεί περαιτέρω μέσω μαθηματικής προσομοίωσης της βιολογικής βαθμίδας. 60

61 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΙΙΙ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΙΑWQ 3.1 Εισαγωγή Τα μοντέλα τα οποία περιγράφουν απομάκρυνση της τροφής είναι σημαντικά κυρίως ως προς τη δυνατότητα πρόβλεψης της συγκέντρωσης της ενεργού ιλύος και στην απαίτηση για αποδέκτη ηλεκτρονίων, παρά για την ικανότητά τους να προβλέπουν τη συγκέντρωση της τροφής στην εκροή. Επομένως, πρωτεύουσα σημασία δίνεται στην πρόβλεψη των συγκεντρώσεων της ενεργού ιλύος κατά την επιλογή της στοιχειομετρίας των διεργασιών και στην εκτίμηση της απαίτησης αποδέκτη ηλεκτρονίων κατά την ανάπτυξη των ρυθμών έκφρασης των διεργασιών. Σε ένα μοντέλο θα πρέπει να περιλαμβάνονται μόνο αυτές οι διεργασίες οι οποίες είναι απαραίτητες για μία ρεαλιστική λύση και να επιλέγονται εκείνες οι κινητικές οι οποίες θα επιτρέπουν τη χρησιμοποίηση απλοποιημένων τεχνικών επίλυσης χωρίς να μειώνουν την εφαρμοστικότητα των αποτελεσμάτων. Σε ορισμένες περιπτώσεις αυτό μπορεί να απαιτεί την επιλογή εξαιρετικά απλοποιημένων κινητικών. Αν και τέτοιες κινητικές μπορεί να μην αναπαριστούν τέλεια τα ακριβή γεγονότα που συμβαίνουν μέσα στο σύστημα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν επιτυχώς όσο απομιμούνται επαρκώς το αποτέλεσμα αυτών των γεγονότων Υποδιαίρεση της οργανικής ύλης Η οργανική ύλη των λυμάτων μπορεί να υποδιαιρεθεί σε έναν αριθμό κατηγοριών. Η πρώτη σημαντική υποδιαίρεση βασίζεται στο βαθμό βιοδιασπασιμότητας. Η μη-βιοδιασπάσιμη οργανική ύλη είναι βιολογικά αδρανής και διέρχεται μέσα από το σύστημα ενεργού ιλύος αναλλοίωτη. Ανάλογα με τη φυσική της κατάσταση μπορεί να διαχωριστεί σε δύο κομμάτια: διαλυμένο και σωματιδιακό. Η αδρανής διαλυμένη οργανική ύλη Si, φεύγει από το σύστημα με την ίδια συγκέντρωση με την οποία είχε εισέλθει. Η αδρανής αιωρούμενη οργανική ύλη Xi παγιδεύεται στην ενεργό ιλύ και απομακρύνεται από το σύστημα μέσω της 61

62 απομακρυνθείσας ιλύος. Η βιοδιασπάσιμη οργανική ύλη μπορεί να χωρισθεί σε δύο κατηγορίες: την εύκολα βιοδιασπάσιμη και την αργά βιοδιασπάσιμη. Η εύκολα βιοδιασπάσιμη ύλη Ss θεωρείται ως διαλυμένη, ενώ η αργά βιοδιασπάσιμη ύλη Χs, θεωρείται ως σωματιδιακή. Η εύκολα βιοδιασπάσιμη ύλη συνίσταται από σχετικά απλά μόρια τα οποία μπορούν να εισέλθουν στο κύτταρο και να προσληφθούν άμεσα από τα ετεροτροφικά βακτηρίδια οδηγώντας έτσι σε ανάπτυξη νέας βιομάζας. Αντίθετα η αργά βιοδιασπάσιμη ύλη, αποτελούμενη από σχετικά σύνθετα μόρια, δεν εισέρχεται στο κύτταρο, μπορεί ωστόσο να υφίσταται ενζυματική δράση εξωκυτταρικά και να μετατρέπεται σε εύκολα βιοδιασπάσιμη ύλη και στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί. Η ετεροτροφική βιομάζα δημιουργείται με κατανάλωση της εύκολα βιοδιασπάσιμης τροφής από αερόβιες ή ανοξικές συνθήκες, όμως σταματά κάτω από αναερόβιες συνθήκες. Η βιομάζα μειώνεται μέσω της αποσύνθεσης η οποία συμπεριλαμβάνει έναν μεγάλο αριθμό μηχανισμών όπως ο ενδογενής μεταβολισμός, ο θάνατος, η κατανάλωση της από ανώτερους οργανισμούς (πρωτόζωα) και η λύσις. Γίνεται η παραδοχή ότι η αποσύνθεση συντελεί στη μετατροπή της βιομάζας αφενός σε αργά βιοδιασπάσιμη τροφή ΧS, αφετέρου σε σωματιδιακά προϊόντα Xp τα οποία είναι αδρανή σε περαιτέρω βιολογικές διεργασίες. Το διαλυμένο μη-βιοδιασπάσιμο αζωτούχο τμήμα συχνά είναι αμελητέο και δεν ενσωματώνεται στο μοντέλο. Η βιοδιασπάσιμη αζωτούχα ύλη υποδιαιρείται σε αμμωνιακό άζωτο SNH, διαλυμένο οργανικό άζωτο SND και σε σωματιδιακό οργανικό άζωτο XND. To σωματιδιακό οργανικό άζωτο αντιδρά με τα ετεροτροφικά βακτηρίδια και μετατρέπεται σε αμμωνιακό άζωτο (αμμωνιοποίηση). Το αμμωνιακό άζωτο χρησιμεύει ως η διαθέσιμη πηγή του αζώτου για τη σύνθεση της ετεροτροφικής βιομάζας και ως η πηγή διαθέσιμης ενέργειας για την ανάπτυξη των αυτοτροφικών νιτροποιητικών βακτηριδίων. Για απλότητα η αυτοτροφική μετατροπή του αμμωνιακού αζώτου σε νιτρικό άζωτο (νιτροποίηση) θεωρείται ως μία διεργασία ενός βήματος η οποία απαιτεί οξυγόνο. Τα νιτρικά που δημιουργούνται χρησιμοποιούνται ως ο τελικός δέκτης ηλεκτρονίων για τα ετεροτροφικά βακτηρίδια κάτω από ανοξικές συνθήκες και παράγουν αέριο άζωτο (απονιτροποίηση). Η κυτταρική αποσύνθεση τόσο της αυτοτροφικής όσο και της ετεροτροφικής βιομάζας οδηγεί στην απελευθέρωση του σωματιδιακού βιοδιασπάσιμου οργανικού αζώτου το οποίο μπορεί μετά από υδρόλυση και αμμωνιοποίηση να επανασυμμετάσχει στον κύκλο των διεργασιών. 62

63 3.2 Μεταβλητές του μαθηματικού μοντέλου Στον πίνακα που ακολουθεί συμπεριλαμβάνονται οι μεταβλητές του μαθηματικού μοντέλου. Όλα τα οργανικά στοιχεία, συμπεριλαμβανομένων και των σωματιδιακών, εκφράζονται σε όρους COD. Τα διαλυμένα αδρανή και τα σωματιδιακά αδρανή οργανικά, SΙ και XΙ, δεν παίρνουν μέρος σε καμία διεργασία μετατροπής και έτσι οι στήλες του (I=1 και 3 αντίστοιχα) δεν περιέχουν κανένα στοιχειομετρικό συντελεστή. Παρόλα αυτά, συμπεριλαμβάνονται στον πίνακα διότι είναι σημαντικά στην περιγραφή της διεργασίας. Η διαλυμένη αδρανής οργανική ουσία συνεισφέρει στο COD της εκροής. Η σωματιδιακή αδρανής οργανική ουσία αποτελεί ένα μέρος των πτητικών αιωρούμενων στερεών στο σύστημα της ενεργού ιλύος. Παρατηρώντας τη δεύτερη στήλη του Πίνακα 3.1, βλέπουμε ότι η εύκολα βιοδιασπάσιμη τροφή Ss απομακρύνεται με την ανάπτυξη των ετεροτροφικών βακτηριδίων κάτω από αερόβιες ή ανοξικές συνθήκες και δημιουργείται μέσω της υδρόλυσης της σωματιδιακής οργανικής ύλης η οποία παγιδεύεται στη βιοκροκίδα. Η τέταρτη στήλη δείχνει ότι η αργά βιοδιασπάσιμη τροφή, Xs, απομακρύνεται με την υδρόλυση και παράγεται με την αποσύνθεση της ετεροτροφικής και αυτοτροφικής βιομάζας. Με άλλα λόγια, δηλαδή, η αποσύνθεση συμβάλει στην μετατροπή του κυτταρικού υλικού σε αργά βιοδιασπάσιμη τροφή. Οι στήλες 5 και 6 αντιπροσωπεύουν τη βιομάζα του συστήματος. Με XB,H συμβολίζουμε τη ετεροτροφική βιομάζα και με ΧΒ,Α την αυτοτροφική βιομάζα. Η ετεροτροφική βιομάζα αναπτύσσεται κάτω από αερόβιες ή ανοξικές συνθήκες και καταστρέφεται με την αποσύνθεση. Η αυτοτροφική βιομάζα επίσης αναπτύσσεται αλλά μόνο κάτω από αερόβιες συνθήκες, ενώ και αυτή καταστρέφεται μέσω της αποσύνθεσης. Η στήλη 7 περιλαμβάνει τα σωματιδιακά μη βιοδιασπάσιμα προϊόντα της αποσύνθεσης της βιομάζας Χp. (Kountz and Forney,1959;McKinney and Ooten,1969) Είναι φανερό και από τον ορισμό τους ότι τα προϊόντα αυτά δημιουργούνται από την αποσύνθεση της ετεροτροφικής και αυτοτροφικής βιομάζας. Τα προϊόντα αυτά θεωρούμε ότι είναι αδρανή 63

64 στις βιολογικές διεργασίες και επομένως δεν καταστρέφονται. Στην πραγματικότητα, αυτό το κομμάτι της βιομάζας πιθανότατα δεν είναι απολύτως αδρανές (Obayashi and Gaudy,1973) ωστόσο ο βαθμός καταστροφής του είναι τόσο μικρός υπό κανονικές συνθήκες ώστε για πρακτικούς λόγους μπορεί να θεωρηθεί ως αδρανές τουλάχιστον για τους χρόνους παραμονής στερεών που συναντούνται στα συστήματα ενεργού ιλύος. (Weddle and Jenkins, 1971). Η συγκέντρωση των πτητικών στερεών (σε όρους COD) στο σύστημα ενεργού ιλύος είναι το άθροισμα των πέντε χαρακτηριστικών όρων: Xs, XB,H, ΧΒ,Α, Xp, XI. Για τη μετατροπή από μονάδες COD σε μονάδες πτητικών αιωρούμενων στερεών εφαρμόζεται κατάλληλος συντελεστής μετατροπής. Η 8η στήλη του Πίνακα 3.1 περιέχει τη συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου (DO) So μέσα στον αντιδραστήρα. Οι διεργασίες που περιλαμβάνονται στον πίνακα περιγράφουν μόνο την απομάκρυνση οξυγόνου από το διάλυμα και καμία δεν περιγράφει την προσθήκη του σ αυτό (ο πίνακας περιγράφει μόνο βιολογικές διεργασίες). Για να προσομοιωθούν οι τροποποιήσεις στη συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου, θα πρέπει να συμπεριληφθούν κατάλληλες κινητικές για την περιγραφή της μεταφοράς του οξυγόνου λόγω αερισμού με τους αντίστοιχους όρους μετάθεσης και την κατάστρωση της εξίσωσης ισορροπίας για αυτό. Ακόμα και αν αυτοί οι όροι δεν συμπεριληφθούν η πληροφορία της 8ης στήλης μπορεί ωστόσο να χρησιμοποιηθεί για να υπολογίσει την ποσότητα του οξυγόνου που πρέπει να διατεθεί για να εκπληρώσει τις μεταβολικές ανάγκες των βακτηριδίων. Μία προσεκτική ματιά στην 8η στήλη μας πληροφορεί ότι η χρήση οξυγόνου σχετίζεται μόνο με την αερόβια ανάπτυξη της ετεροτροφικής και αυτοτροφικής βιομάζας και καμία άμεση συσχέτιση της δεν γίνεται με τη μικροβιακή αποσύνθεση. Αυτή η άποψη διαφέρει από τις πιο παραδοσιακές προσεγγίσεις οι οποίες βασιζόντουσαν στη γνώση ότι η αποσύνθεση προκαλεί την απελευθέρωση της αργά βιοδιασπάσιμης τροφής η οποία στη συνέχεια επανακυκλοφορείται ξανά στη διαλυμένη τροφή και χρησιμοποιείται για περαιτέρω ανάπτυξη των κυττάρων (Grady and Lim,1980). Έτσι η χρήση οξυγόνου συσχετιζόταν άμεσα με την αποσύνθεση, ενώ τώρα υπολογίζεται έμμεσα από την ανάπτυξη νέας βιομάζας με κατανάλωση των προϊόντων φθοράς (Dold et al.,1980). Η καθαρή απώλεια της βιομάζας που συσχετίζεται με την αποσύνθεση οφείλεται στο 64

65 γεγονός ότι ο συντελεστής παραγωγής ετεροτροφικών (μετατροπή βιομάζας) είναι μικρότερος της μονάδας και έτσι η ποσότητα της νέας βιομάζας που αναπτύσσεται από την απελευθερωμένη κατά την αποσύνθεση τροφή πρέπει πάντα να είναι μικρότερη από την ποσότητα της βιομάζας που χάνεται. Ο όρος 4.57 του στοιχειομετρικού συντελεστή για την αερόβια ανάπτυξη των αυτοτροφικών είναι η θεωρητική απαίτηση οξυγόνου η οποία συσχετίζεται με την οξείδωση του αμμωνιακού αζώτου σε νιτρικό άζωτο (νιτροποίηση). Ο άλλος αποδέκτης ηλεκτρονίων που συμπεριλαμβάνεται στο μοντέλο είναι το νιτρικό άζωτο SNO το οποίο παράγεται κατά την αερόβια ανάπτυξη των αυτοτροφικών βακτηριδίων και απομακρύνεται λόγω απονιτροποίησης κατά την ανοξική ανάπτυξη της ετεροτροφικής βιομάζας, όπως φαίνεται και στην 9η στήλη του Πίνακα 3.1. Αν και το νιτρώδες άζωτο είναι ένα ενδιάμεσο προϊόν κατά τη νιτροποίηση για λόγους απλότητας της προσομοίωσης δεχόμαστε ότι τα νιτρικά είναι η μόνη υφιστάμενη οξειδωμένη μορφή του αζώτου. Ο παράγοντας 2.86 στον στοιχειομετρικό συντελεστή για την ανοξική ανάπτυξη της ετεροτροφικής βιομάζας είναι το ισοδύναμο οξυγόνο για τη μετατροπή του νιτρικού αζώτου σε αέριο άζωτο (απονιτροποίηση) και συμπεριλαμβάνεται για να γίνουν συμβατές οι μονάδες μέτρησης. Αν και δε διατυπώνεται σαφώς στο μοντέλο, το νιτρικό άζωτο μπορεί επίσης να απομακρυνθεί και με παρουσία εξωτερικού άνθρακα λόγω της αποσύνθεσης της βιομάζας. Παρόμοια με την απομάκρυνση του οξυγόνου, η περιγραφή αυτή επιτυγχάνεται με την επανακυκλοφορία της οργανικής ύλης κατά την αποσύνθεση, η οποία το κάνει διαθέσιμο για ανοξική ανάπτυξη της ετεροτροφικής βιομάζας. Η 10η στήλη περιλαμβάνει το διαλυμένο αμμωνιακό άζωτο SNH το οποίο είναι το άθροισμα της ιονισμένης μορφής (αμμώνιο ΝΗ4+) και της μη ιονισμένης (αμμωνία ΝΗ3). Όμως το μη ιονισμένο τμήμα είναι αμελητέο για τιμές του ph κοντά στην ουδετερότητα και επομένως είναι απλούστερο να γράφουμε μοντέλα για την οξείδωση της αμμωνίας σε όρους συνολικού αμμωνιακού αζώτου. Μία εξέταση των στοιχειομετρικών συντελεστών της 10ης στήλης μας δείχνει ότι το αμμωνιακό άζωτο δημιουργείται με την αμμωνιοποίηση του διαλυμένου βιοδιασπάσιμου οργανικού αζώτου και απομακρύνεται κατά την ανάπτυξη της βιομάζας. Η μεγαλύτερη απομάκρυνση αμμωνιακού αζώτου γίνεται κατά τη χρησιμοποίησή του ως πηγή 65

66 ενέργειας για την αερόβια ανάπτυξη της αυτοτροφικής βιομάζας (-1/ΥΑ) δηλαδή κατά τη νιτροποίηση. Επίσης το άζωτο συνδέεται και με τη βιομάζα κατά την κυτταρική σύνθεση και για το λόγο αυτό συμπεριλαμβάνεται στον πίνακα ένας όρος (-iχβ) για τη χρήση του αζώτου κατά την ανάπτυξη τόσο των ετεροτροφικών όσο και των αυτοτροφικών βακτηριδίων. Η 11η στήλη περιλαμβάνει το διαλυμένο οργανικό άζωτο SND, το οποίο δημιουργείται με την υδρόλυση του σωματιδιακού οργανικού αζώτου και απομακρύνεται με την αμμωνιοποίηση μέσω της οποίας μετατρέπεται σε αμμωνιακό άζωτο. Το σωματιδιακό βιοδιασπάσιμο οργανικό άζωτο XND δίνεται στην 12η στήλη του Πίνακα 3.1. Δημιουργείται από την αποσύνθεση της ετεροτροφικής και αυτοτροφικής βιομάζας, ixb, εκτός της ποσότητας η οποία συσχετίζεται με τα αδρανή σωματιδιακά προϊόντα, fpixp, και μειώνεται με την αμμωνιοποίηση. Αν και το oργανικό αυτό άζωτο είναι σωματιδιακό, δεν προστίθεται στις άλλες σωματιδιακές μορφές κατά την υπολογισμό της συγκέντρωσης των πτητικών στερεών. Αυτό γίνεται επειδή είναι ένα μέρος αυτών των υλικών και έχει ήδη συμπεριληφθεί μέσα στη συγκέντρωσή τους. Τρεις άλλες μορφές οργανικού αζώτου υπεισέρχονται στο σύστημα: αυτή που σχετίζεται με τη βιομάζα XNB, αυτή που συσχετίζεται με τα σωματιδιακά προϊόντα XNP και αυτή που συσχετίζεται με την αδρανή σωματιδιακή οργανική ουσία XNI. Η συγκέντρωση του καθενός από τα τρία αυτά συστατικά μπορεί να υπολογισθεί απλά πολλαπλασιάζοντας το XB με το ixb το Xp με το ixp και το Xi με το ixi. Αυτά τα συστατικά δε χρειάζονται στον πίνακα επειδή η δίαιτα του αερίου αζώτου (Ν2) κατά την απονιτροποίηση δε συμπεριλαμβάνεται και έτσι ο έλεγχος συνέχειας για το άζωτο δε μπορεί να πραγματοποιηθεί. Για το λόγο αυτό δεν συμπεριλαμβάνονται στις στήλες του Πίνακα 3.1. Όμως το μοντέλο μπορεί απλούστατα να επεκταθεί και να ενσωματώσει την παραγωγή αερίου αζώτου διευκολύνοντας έτσι την εκτίμηση πιθανόν προβλημάτων στην καθίζηση. Αν αυτό είχε γίνει θα έπρεπε αυτά τα τρία συστατικά να είχαν συμπεριληφθεί στις στήλες του Πίνακα 3.1. Αυτά τα 12 συστατικά στα οποία αναφερθήκαμε παραπάνω, θεωρείται ότι είναι τα ελάχιστα απαιτούμενα για την επαρκή προσομοίωση ενός συστήματος ενεργού ιλύος το οποίο εκτελεί οξείδωση του άνθρακα, νιτροποίηση και απονιτροποίηση. Επομένως το συνολικό μοντέλο θα πρέπει να περιλαμβάνει 12 εξισώσεις ισορροπίας της μάζας. 66

67 Η 13η στήλη αντιπροσωπεύει τη συνολική αλκαλικότητα SALK. Η ενσωμάτωση της αλκαλικότητας στο μοντέλο δεν είναι απολύτως απαραίτητη, όμως ο συνυπολογισμός της σ αυτό είναι επιθυμητός επειδή παρέχει πληροφορίες μέσω των οποίων μπορούν να εκτιμηθούν υπερβολικές διακυμάνσεις του ph. Όλες οι αντιδράσεις που αφορούν στην προσθήκη ή απομάκρυνση ειδών με ικανότητα αποδοχής πρωτονίων και/ή την προσθήκη ή απομάκρυνση των πρωτονίων μπορούν να προκαλέσουν αλλαγές στην αλκαλικότητα. Παραδείγματα του πρώτου δεν περιλαμβάνονται στο μοντέλο επειδή δεν είναι συνήθη σε συστήματα ενεργού ιλύος. Αρκετά παραδείγματα του δεύτερου όμως συμπεριλαμβάνονται στο μοντέλο και παρουσιάζονται στον Πίνακα 3.1. Ένα είναι η μετατροπή του αμμωνιακού αζώτου σε αμινοξέα κατά τη σύνθεση της ετεροτροφικής και αυτοτροφικής βιομάζας και η αντιστροφή της διεργασίας κατά την αμμωνιοποίηση (Scearce et al., 1980). Ένα άλλο συμβαίνει κατά τη νιτροποίηση. Όταν το αμμώνιο (ΝΗ4) οξειδώνεται για ενέργεια από τα αυτοτροφικά βακτηρίδια, 8 ηλεκτρόνια και 10 πρωτόνια απελευθερώνονται. Το οξυγόνο αποδέχεται 8 ηλεκτρόνια και 8 πρωτόνια, με αποτέλεσμα να υπάρχει μία περίσσεια 2 πρωτονίων η οποία και συντελεί στη μείωση της αλκαλικότητας. Το αντίθετο συμβαίνει κατά την απονιτροποίηση, επειδή όταν τα νιτρικά αντιδρούν ως αποδέκτης ηλεκτρονίων υπάρχει μία καθαρή πρόσληψηπρωτονίου η οποία αυξάνει την αλκαλικότητα. Από τις διεργασίες οι οποίες προσθέτουν ή απομακρύνουν πρωτόνια, η νιτροποίηση έχει τη μεγαλύτερη επίδραση στην αλκαλικότητα και μπορεί να δημιουργήσει υπερβολικές μειώσεις της. Από τη χημική ισορροπία του ανθρακούχου συστήματος, αν η συνολική αλκαλικότητα πέσει κάτω από τα 50 mg ασβεστούχου άνθρακα, τότε το ph γίνεται ασταθές και μπορεί να πάρει τιμές χαμηλότερες του 6 (WRC, 1984). Χαμηλό ph συνεπάγεται και μείωση του ρυθμού νιτροποίησης και άλλα προβλήματα όπως διαβρωτική εκροή και διόγκωση της ιλύος. 67

68 Πίνακας 3.1: Διεργασίες,κινητικές και στοιχειομετρία μοντέλο Ρυθμός διεργασιών S i S s X i X s X BH X BA X p S o S NO S NH S ND X ND S ALK ρ 1(ΜL -3 Τ -1 ) 1. Aερόβια ανάπτυξη ετεροτροφικών - 1 Y H Y H Y H -i XB i XB 14 μ Η Ks Ss S s K OH S o S o x BH 2. Ανοξική ανάπτυξη ετεροτροφικών - 1 Y H Y H 2.86Y H -i XB 1 - Y H Y H i XB /14 μ Η Ks Ss Ss K OH K OH S o K NO S NO S NO X n BH g 3. Αερόβια ανάπτυξη αυτοτροφικών 4. Αποσύνθεση ετεροτροφικών 5. Αποσύνθεση αυτοτροφικών 6. Aμμωνιοποίηση διαλυμένου οργανικού αζώτου 7. Υδρόλυση παγιδευμένων οργανικών Y A YA 1/Y A -i XB - (1/YA) 1-fp -1 f p i XB -fpi xp b H X BH 1-fp -1 f p i XB -fpi xp b A X BA μ Η K NH S NH S NH S o K OA 1-1 1/14 K s S ND X BH K h K X /X X s BH (X s /X BH ) K OH S o S o X BA S o n h K OH K OH S o K NO S NO S NO X BH 8. Υδρόλυση παγιδευμένου οργ. αζώτου Παρατηρούμενος ρυθμός αντίδρασης r i 1-1 ρ 7 (Χ ΝD /Χ 3 ) V ij ρ j 68

69 3.3 Διεργασίες του μαθηματικού μοντέλου Οι βασικές διεργασίες που περιγράφονται στο μοντέλο, αναγράφονται στην αριστερή στήλη του Πίνακα 3.1, ενώ οι εκφράσεις των κινητικών τους αναγράφονται στην δεξιά στήλη του πίνακα. Τέσσερις είναι οι βασικές διεργασίες που περιγράφονται: η ανάπτυξη της βιομάζας, η αποσύνθεση της βιομάζας, η αμμωνιοποίηση του οργανικού αζώτου και η υδρόλυση των σωματιδιακών οργανικών που παγιδεύονται στη βιοκροκίδα. Προς διευκόλυνση της προσομοίωσης, η εύκολα βιοδιασπάσιμη ύλη θεωρείται ως η μόνη τροφή για την ανάπτυξη της ετεροτροφικής βιομάζας. Η αργά βιοδιασπάσιμη ύλη θεωρείται ότι απομακρύνεται ακαριαία από την αιώρηση με την παγίδευσή της στη βιοκροκίδα. Ευρισκόμενη εκεί, μέσω διαφόρων αντιδράσεων μετατρέπεται σε εύκολα βιοδιασπάσιμη τροφή. Αυτές οι αντιδράσεις ονομάζονται για απλότητα υδρόλυση στο μοντέλο, αν και στην πράξη είναι αρκετά πιο πολύπλοκες. Το καθαρό αποτέλεσμα από το συνυπολογισμό τους είναι να εισαγάγουν μία χρονική υστέρηση στη χρήση του οξυγόνου, αφού αυτή σχετίζεται με την ανάπτυξη των οργανισμών με χρήση της εύκολα βιοδιασπάσιμης τροφής. Η αποσύνθεση θεωρείται ότι επιδρά στην μετατροπή της ενεργής βιομάζας σε αδρανή σωματιδιακά προϊόντα και σε αργά βιοδιασπάσιμη τροφή, η οποία επανεισάγεται στον κύκλο υδρόλυση, ανάπτυξη κ.τ.λ. Αυτό επιτρέπει μία πιο ευέλικτη περιγραφή της αποσύνθεσης κάτω από τις διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες οι οποίες αντιμετωπίζονται σε ένα σύστημα ενεργού ιλύος. Η πρώτη γραμμή του πίνακα αφορά στη διεργασία 1, την αερόβια ανάπτυξη της ετεροτροφικής βιομάζας. Η μελέτη της γραμμής 1 του Πίνακα 3.1 δείχνει ότι η ανάπτυξη γίνεται σε βάρος της διαλυμένης τροφής και οδηγεί στην παραγωγή ετεροτροφικής βιομάζας. Άμεση σχέση μ αυτό έχει και η χρήση του οξυγόνου. Αφού τόσο για την τροφή όσο και για τη βιομάζα χρησιμοποιούμε μονάδες COD και επειδή το οξυγόνο μετρείται ως αρνητικό COD, η διατήρηση της συνέχειας συνεπάγεται ότι η απαίτηση οξυγόνου πρέπει να εξισώνει την καθαρή απομάκρυνση COD (διαλυμένη τροφή που απομακρύνθηκε πλην δημιουργηθέντα κύτταρα). Το αμμωνιακό άζωτο απομακρύνεται από το διάλυμα και ενσωματώνεται στην κυτταρική μάζα. Οι κινητικές της αερόβιας ανάπτυξης της 83

70 ετεροτροφικής βιομάζας θεωρείται ότι υπόκεινται σε διπλό περιορισμό θρεπτικών, με τις συγκεντρώσεις τόσο της εύκολα βιοδιασπάσιμης τροφής όσο και του διαλυμένου οξυγόνου να καθορίζουν την ταχύτητά τους. Η επίδραση του κάθε συστατικού προσομοιώνεται με μία συνάρτηση κορεσμού (τύπου Monod). Αν και είναι παραδεκτό ότι μία συνάρτηση κορεσμού δεν είναι η ιδεατή μορφή για προσομοιώσεις της απομάκρυνσης της τροφής κάτω από δυναμικές συνθήκες, παρόλα αυτά, τα σφάλματα που πηγάζουν από την εφαρμογή της είναι μικρά. Η εισαγωγή του όρου του οξυγόνου με τη μορφή συνάρτησης μεταβολής κατάστασης (ΣΜΚ) έχει ως σκοπό να σταματάει την αερόβια ανάπτυξη σε πολύ χαμηλές τιμές της συγκέντρωσης του διαλυμένου οξυγόνου και έτσι η τιμή του συντελεστή κορεσμού ΚΟ,Η είναι μικρή. Η απομάκρυνση της εύκολα βιοδιασπάσιμης τροφής θεωρείται ότι είναι ανάλογη της ανάπτυξης. Καμία πρόβλεψη δε γίνεται για την αποθήκευση της διαλυμένης τροφής επειδή το φαινόμενο είναι περιορισμένο για λίγες μόνο τροφές όπως οι διαλυμένοι μονοσακχαρίτες και το οξικό άλας. Παρόλα αυτά είναι γνωστό ότι τροφές μπορούν να απομακρυνθούν από την υγρή φάση χωρίς να σχετίζονται με την ανάπτυξη της βιομάζας. Αυτό το γεγονός περιλαμβάνεται στο μοντέλο μέσω του ακαριαίου εγκλωβισμού της αργά βιοδιασπάσιμης τροφής στη βιοκροκίδα. Συνοψίζοντας, ο ρυθμός της αερόβιας ανάπτυξης της ετεροτροφικής βιομάζας καθώς και η μεταβολή του συναρτήσει της συγκέντρωσης της εύκολα βιοδιασπάσιμης τροφής φαίνονται στη σχέση 1 και το Σχήμα 3.1, αντίστοιχα. S S S o μ = μ Η X B,H (1) K S +S S K O,H +S Ο Διακοπτόμενη λειτουργία Συνάρτηση κορεσμού (Monod) 84

71 Σχήμα 3.1: Μεταβολή του ρυθμού συναρτήσει της S S H δεύτερη γραμμή του Πίνακα 3.1 αντιπροσωπεύει την ανοξική ανάπτυξη της ετεροτροφικής βιομάζας με το νιτρικό άζωτο σαν τελικό δέκτη ηλεκτρονίων, Παρόμοια με την αερόβια ανάπτυξη, αυτή γίνεται με χρήση της εύκολα βιοδιασπάσιμης τροφής και συντελεί στην παραγωγή ετεροτροφικής βιομάζας. Το νιτρικό άζωτο χρησιμοποιείται ως ο τελικός δέκτης ηλεκτρονίων και η κατανάλωσή του είναι ανάλογη της απομακρυνόμενης ποσότητας της εύκολα βιοδιασπάσιμης τροφής μείον τα δημιουργηθέντα κύτταρα. Όπως και στην αερόβια ανάπτυξη, το αμμωνιακό άζωτο μετατρέπεται σε οργανικό άζωτο μέσα στη βιομάζα. Η κινητική για την ανοξική ανάπτυξη είναι ανάλογη με αυτήν της αερόβιας ανάπτυξης των ετεροτροφικών. Στην πραγματικότητα η επίδραση της εύκολα βιοδιασπάσιμης τροφής στο ρυθμό και η ίδια όπως ίδιος είναι και ο συντελεστής K S. Eίναι γνωστό παρ όλα αυτά ότι η μέγιστη ταχύτητα απομάκρυνσης της τροφής κάτω από ανοξικές συνθήκες είναι συχνά μικρότερη από την αντίστοιχη των αερόβιων συνθηκών. Αυτό μπορεί να συμβαίνει είτε επειδή το μ Η είναι μικρότερο κάτω από ανοξικές συνθήκες είναι συχνά μικρότερη από την αντίστοιχη των αερόβιων συνθηκών. Αυτό μπορεί να συμβαίνει είτε επειδή το μ Η είναι μικρότερο κάτω από ανοξικές συνθήκες, είτε επειδή μόνο το κομμάτι της ετεροτροφικής βιομάζας είναι ικανό να λειτουργήσει με τα νιτρικά ως τελικό αποδέκτη ηλεκτρονίων. Είναι γενικά αδύνατο να διαφοροποιήσει κανείς ή να διακρίνει τη μία από τις δύο αυτές περιπτώσεις. Έτσι για την προσομοίωση η πιο εύκολη οδός για την κάλυψη αυτής 85

72 της ιδιαιτερότητας, είναι η προσθήκη ενός εμπειρικού συντελεστή n g στην έκφραση του ρυθμού, όπου ο n g <l. (Batchelor, 1982) Η ανοξική ανάπτυξη παρεμποδίζεται παρουσία οξυγόνου και ο όρος Κ Ο,Η συμπεριλαμβάνεται για να περιγράψει αυτό ακριβώς το γεγονός. Κ Ο,Η + S o Ο συντελεστής Κ Ο,Η έχει την ίδια τιμή όπως στην έκφραση της αερόβιας ανάπτυξης και έτσι καθώς η αερόβια ανάπτυξη πέφτει η ανοξική ανάπτυξη αυξάνει. Όπως και οι άλλοι παρόμοιοι όροι, η πρωταρχική του χρήση είναι να λειτουργεί σαν διακόπτης. Συνοψίζοντας, λοιπόν, ο ρυθμός της ανοξικής ανάπτυξης των ετεροτροφικών και η μεταβολή του συναρτήσει της συγκέντρωσης της εύκολα βιοδιασπάσιμης τροφής φαίνονται αναλυτικότερα με τη σχέση 2 και το Σχήμα 3.2. S S S o S NO μ = μ Η n g X B,H (2) K S +S S K O,H +S Ο K NO +S NO Διακόπτες Συνάρτηση Monod 86

73 Σχήμα 3.2: Μεταβολή του ρυθμού συναρτήσει της S S H αερόβια ανάπτυξη της αυτοτροφικής βιομάζας, αναπαριστάται στη γραμμή 3 του Πίνακα 3.1. Το διαλυμένο αμμωνιακό άζωτο χρησιμοποιείται ως η πηγή ενέργειας για την ανάπτυξη των νιτροποιητών συντελώντας έτσι στη δημιουργία αυτοτροφικής κυτταρικής βιομάζας και νιτρικού αζώτου σαν τελικά προϊόντα. Η ποσότητα του οξυγόνου που χρησιμοποιείται είναι ανάλογη της ποσότητας του αμμωνιακού αζώτου που οξειδώνεται. Μία διπλή συνάρτηση κορεσμού χρησιμοποιείται για να εκφραστεί η εξάρτηση του ειδικού ρυθμού ανάπτυξης των αυτοτροφικών από τις συγκεντρώσεις τόσο του διαλυμένου αζώτου, όσο και του διαλυμένου οξυγόνου με το τελευταίο να λειτουργεί σα διακόπτης. Οι τιμές και των δύο συντελεστών Κ ΝΗ και Κ Ο,Α είναι μικρές. Αν και η αερόβια ανάπτυξη των αυτοτροφικών είναι γνωστό ότι επηρεάζεται από το ph των λυμάτων στα οποία αναπτύσσονται οι οργανισμοί, αυτή η εξάρτηση δε συμπεριλαμβάνεται στην κινητική, λόγω της δυσκολίας πρόβλεψης του ph στο βιολογικό αντιδραστήρα. Θεωρείται προτιμότερο κάθε ενδεχόμενο πρόβλημα με το να μπορεί να ελέγχεται μέσω της χρήσης του όρου της αλκαλικότητας όπως έχει αναφερθεί προηγούμενα. Ο ρυθμός, λοιπόν, ανάπτυξης της αυτοτροφικής βιομάζας δίνεται από τη σχέση (3) 87

74 S ΝΗ S Ο S ΑLK μ = μ Α X B,A (3) K NH +S NH K O,A +S Ο K ALK +S ALK Συναρτήσεις Μεταβολής Κατάστασης (Σ.Μ.Κ.) Συνάρτηση Monod Έχει παρατηρηθεί ότι η καθαρή παραγωγή ιλύος από την ανάπτυξη της ετεροτροφικής βιομάζας, μειώνεται όσο ο χρόνος παραμονής των στερεών στον αντιδραστήρα αυξάνεται. Αυτό το φαινόμενο μπορεί να αποδοθεί σε αρκετούς μηχανισμούς, όπως η λύση, και η ανάγκη για συντηρούμενη ενέργεια. Η προσομοίωση αυτών των μηχανισμών μπορεί να γίνει με πολλούς τρόπους, ωστόσο, η πιο κοινή τεχνική που αφορά κυρίως τις αερόβιες συνθήκες είναι η ενσωμάτωση όλων των προαναφερθέντων μηχανισμών σε μία έκφραση φθοράς η οποία είναι ευθέως ανάλογη με την συγκέντρωση της ενεργής βιομάζας, λαμβάνοντας υπόψη και το γεγονός ότι κάθε μονάδα καταναλωθέντος COD πρέπει να συνεπάγεται τη χρήση μιας ισοδύναμης ποσότητας διαλυμένου οξυγόνου (Grady and Lim, 1980) Αν και αυτή η προσέγγιση δίνει ικανοποιητικά αποτελέσματα για την προσομοίωση συστημάτων ενεργού ιλύος που περιγράφουν μόνο οξείδωση του άνθρακα και νιτροποίηση, πολλά ερωτηματικά γεννιούνται όταν χρησιμοποιείται αποδέκτης ηλεκτρονίων άλλος από το οξυγόνο, όπως συμβαίνει κατά την απονιτροποίηση. Για παράδειγμα οι περισσότερες έρευνες δείχνουν ότι η αποσύνθεση συνεχίζεται και κάτω από ανοξικές συνθήκες από ένα τουλάχιστον μέρος της βιομάζας που μπορεί να χρησιμοποιήσει νιτρικό άζωτο ως τελικό δέκτη ηλεκτρονίων. Όμως τι συμβαίνει στην υπόλοιπη ετεροτροφική βιομάζα; Επιπλέον τι συμβαίνει στην απονιτροποιούμενη βιομάζα όταν ούτε οξυγόνο, ούτε νιτρικά είναι παρόντα και επικρατούν οι αναερόβιες συνθήκες. 88

75 Φαίνεται λογικό ότι για αρκετούς οργανισμούς η αποσύνθεση συνεχίζεται με ένα ζυμωτικό τρόπο, χωρίς όμως απώλεια COD επειδή όλες οι οξειδώσεις οργανικών συσχετίζονται με τις μειώσεις οργανικών μέσα στο κύτταρο. Όλα αυτά οδηγούν στο συμπέρασμα ότι αν η αποσύνθεση συσχετιζόταν άμεσα με τη χρήση του αποδέκτη ηλεκτρονίων μέσα στο μοντέλο, θα απαιτούνταν το λιγότερο τέσσερις διαφορετικές εκφράσεις ρυθμού φθοράς: αποσύνθεση υπό αερόβιες συνθήκες, αποσύνθεση υπό ανοξικές συνθήκες των απονιτροποιητών, αποσύνθεση υπό ανοξικές συνθήκες της ετεροτροφικής βιομάζας που παρουσιάζει αδυναμία απονιτροποίησης και αποσύνθεση υπό αναερόβιες συνθήκες. Δύο προβλήματα δημιουργούνται από αυτή την προσέγγιση. Πρώτα, οι εξισώσεις γίνονται πολύπλοκες με ένα μεγάλο αριθμό διακοπτών. Αυτό αυξάνει τη δυσκολία επίλυσης των εξισώσεων ισορροπίας της μάζας. Δεύτερον, υπάρχει έλλειψη στοιχείων και πειραματικών αποτελεσμάτων πάνω στα οποία μπορούμε να βασίσουμε τις εξισώσεις και να εκτιμήσουμε τις παραμέτρους τους. Και τα δύο αυτά προβλήματα μας οδηγούν στο συμπέρασμα ότι μία πιο πραγματική προσέγγιση πρέπει να βρεθεί. Η προσέγγιση η οποία υιοθετήθηκε για την προσομοίωση της αποσύνθεσης της ετεροτροφικής βιομάζας βασίζεται στην έννοια του κύκλου θάνατος-επαναδημιουργία (death-regeneration) και φαίνεται στη 4η γραμμή του Πίνακα 3.1. Φαίνεται ότι η έκφραση της ταχύτητας φθοράς είναι αρκετά απλή π.χ. πρώτου βαθμού όσον αφορά την συγκέντρωση της ετεροτροφικής βιομάζας. Ο συντελεστής αποσύνθεσης, όμως, είναι διαφορετικός τόσο εννοιολογικά, όσο και ποσοτικά από τον αντίστοιχο συνήθη συντελεστή αποσύνθεσης. Σύμφωνα με την προσέγγιση αυτή λοιπόν, η βιομάζα μετατρέπεται σε ένα συνδυασμό σωματιδιακών προϊόντων και αργά βιοδιασπάσιμης τροφής. Καμία απώλεια COD δε θεωρείται ότι γίνεται σ αυτή τη διαδικασία και ούτε χρήση αποδέκτη ηλεκτρονίων. Επιπροσθέτως η αποσύνθεση συνεχίζεται με σταθερό ρυθμό ανεξάρτητα από τις περιβαλλοντικές συνθήκες που επικρατούν (π.χ. το b H δεν είναι συνάρτηση του αποδέκτη ηλεκτρονίων ή της συγκέντρωσής του). Η δημιουργούμενη αργά βιοδιασπάσιμη τροφή υδρολύεται όπως φαίνεται και στην 7η γραμμή του Πίνακα 3.1, απελευθερώνοντας ίση ποσότητα εύκολα βιοδιασπάσιμου COD. Αν οι συνθήκες είναι αερόβιες τότε αυτή τροφή θα χρησιμοποιηθεί για να δημιουργήσει νέα 89

76 κύτταρα με συνακόλουθη κατανάλωση οξυγόνου. Εάν οι συνθήκες είναι ανοξικές η ανάπτυξη των κυττάρων θα πραγματοποιηθεί σε βάρος του νιτρικού αζώτου. Αν δεν είναι διαθέσιμα ούτε οξυγόνο, ούτε νιτρικό άζωτο, καμία μετατροπή δε θα συμβεί και η αργά βιοδιασπάσιμη τροφή θα συσσωρευθεί. Μόνο όταν αναπτυχθούν αερόβιες ή ανοξικές συνθήκες θα μπορέσει να μετατραπεί και να χρησιμοποιηθεί. Το μέγεθος του συντελεστή αποσύνθεσης που χρησιμοποιείται εδώ είναι διαφορετικό από εκείνα που συχνά συναντώνται, λόγω της υπόθεσης για επανακυκλοφορία της τροφής. Στις συμβατικές προσεγγίσεις η απώλεια μιας μονάδας κυτταρικής μάζας COD οδηγεί στην χρησιμοποίηση μιας μονάδας διαλυμένου οξυγόνου με αφαίρεση του COD των αδρανών σωματιδιακών προϊόντων που δημιουργούνται (Σχ. 3.3). Σ αυτό το μοντέλο, η απώλεια μιας μονάδας κυτταρικής μάζας COD εξαιτίας της εύκολα βιοδιασπάσιμης τροφής με αφαίρεση του COD των αδρανών σωματιδιακών προϊόντων που δημιουργούνται (Σχ. 3.4). Όταν το εύκολα βιοδιασπάσιμο COD χρησιμοποιείται για σύνθεση κυττάρων, απαιτείται μόνο ένα μέρος μιας μονάδας οξυγόνου, λόγω της ενέργειας που συμπεριλαμβάνεται στην κυτταρική μάζα. Αυτή η κυτταρική μάζα στη συνέχεια υφίσταται αποσύνθεση κ.τ.λ., πριν χρησιμοποιηθεί μία μονάδα οξυγόνου. Για να δώσει επομένως ο συντελεστής αποσύνθεσης το ίδιο ποσό χρησιμοποιούμενου οξυγόνου, θα πρέπει να είναι μεγαλύτερος από τους αντίστοιχους των άλλων προσεγγίσεων της αποσύνθεσης. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση του ρυθμού επανακυκλοφορίας της κυτταρικής μάζας και επομένως την αύξηση και του ειδικού ρυθμού μικροβιακής ανάπτυξης για δοσμένο χρόνο παραμονής στερεών. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ενώ τα αποτελέσματα από τη χρήση ενός τέτοιου μοντέλου μπορούν να προσομοιώσουν κατά την απώλεια της βιομάζας, την κατανάλωση του αποδέκτη ηλεκτρονίων κ.τ.λ. που συμβαίνουν σε συστήματα ενεργού ιλύος (Dold et al., 1980; Dold and Marais, 1986), δεν υπάρχει απόδειξη ότι το μοντέλο προσεγγίζει με ακρίβεια τους ακριβείς μηχανισμούς. 90

77 Στη συνέχεια γίνεται μία σχηματική σύγκριση της παραδοσιακής προσέγγισης της αποσύνθεσης της ετεροτροφικής βιομάζας (Σχ. 3.3) και της προσέγγισης του μοντέλου που προηγουμένως αναπτύχθηκε (Σχ. 3.4). Σχήμα 3.3 Σχήμα 3.4 Η αποσύνθεση των αυτοτροφικών δίνεται στη γραμμή 5 του Πίνακα 3.1. Τη χειριζόμαστε και αυτή ακριβώς με τον ίδιο τρόπο με την αποσύνθεση των ετεροτροφικών. Αυτό γίνεται κυρίως επειδή η παρατηρούμενη αποσύνθεση σε εμπλουτισμένες κοινωνίες αυτοτροφικών βακτηριδίων οφείλεται στα φαινόμενα πρόσληψης από πρωτόζωα και λύση και έτσι δεν αποκλείεται κάποια συνακόλουθη ανάπτυξη τυχαίων ετεροτροφικών βακτηριδίων πάνω στα προϊόντα της λύσης. Επίσης εικάζεται ότι ο συντελεστής αποσύνθεσης για τα αυτοτροφικά βακτηρίδια είναι μικρότερος από αυτόν για τα ετεροτροφικά. Μία άλλη επίδραση της αποσύνθεσης της βιομάζας είναι η επανακυκλοφορία αζώτου μέσα στο σύστημα. Η μετατροπή της βιομάζας σε αργά βιοδιασπάσιμη τροφή και τελικά σε εύκολα βιοδιασπάσιμη συσχετίζεται με μία παράλληλη μετατροπή του οργανικού αζώτου σε αμμωνιακό άζωτο. Οι αντιδράσεις αυτές συμβαίνουν με τον ίδιο τρόπο με τον οποίο βιοδιασπάσιμο οργανικό άζωτο της τροφής μετατρέπεται σε αμμωνιακό άζωτο. Το διαλυμένο οργανικό άζωτο μετατρέπεται σε αμμωνιακό άζωτο μέσω της διεργασίας που περιγράφεται στην 6η γραμμή του Πίνακα 3.1 ονομάζεται αμμωνιοποίηση. Αυτή η απλή εξίσωση 1ης τάξης είναι εμπειρική, όμως βρέθηκε ότι είναι επαρκής για προσομοίωση της 91

78 αμμωνιοποίησης όταν αυτή σχετίζεται με την ταχύτητα της υδρόλυσης του ενσωματωμένου οργανικού αζώτου. (Dold and Marais, 1986) Οι γραμμές 7 και 8 περιγράφουν την υδρόλυση της αργά βιοδιασπάσιμης οργανικής ύλης και την υδρόλυση του βιοδιασπάσιμου οργανικού αζώτου αντίστοιχα. Η διάσπαση της αργά βιοδιασπάσιμης οργανικής ύλης είναι πολύ σημαντική για τη ρεαλιστική προσομοίωση συστημάτων ενεργού ιλύος, αφού είναι η κυρίως υπεύθυνη διεργασία για τη ρεαλιστική προσομοίωση της χρονικής και χωρικής εξάρτησης της κατανομής του αποδέκτη ηλεκτρονίων. Έτσι ένα μεγάλο μέρος της προσπάθειας κατά την ανάπτυξη του μοντέλου αφιερώθηκε σ αυτό ακριβώς το ζήτημα. Οι σημαντικότερες αλλαγές στην προσομοίωση συστημάτων ενεργού ιλύος που έγιναν τα τελευταία χρόνια πραγματοποιήθηκαν σ αυτό το σημείο, δηλαδή στην ανάπτυξη εξισώσεων που αναπαριστούν τη δίαιτα των παγιδευμένων σωματιδιακών ή αποθηκευμένων διαλυμένων τροφών. Μία προσεκτική παρατήρηση στη διαθέσιμη βιβλιογραφία, δείχνει ότι η έρευνα πολύ λίγο προχώρησε στις κινητικές και τους μηχανισμούς της διάσπασης της σωματιδιακής οργανικής ύλης. Οι περισσότερες έρευνες αντιμετώπισαν συνολικά την προσομοίωση σύνθετων συστημάτων ενεργού ιλύος με αποτέλεσμα να καθίσταται δυσχερής η διερεύνηση των μηχανισμών που συντελούνται κατά την υδρόλυση του σωματιδιακού υλικού. Παρόλα αυτά φαίνεται ότι κάποιες υποθέσεις είναι αναγκαίες και αρκετά βάσιμες ώστε το όλο μοντέλο να δίνει ρεαλιστικές κατανομές του αποδέκτη ηλεκτρονίων. Μία είναι ότι η ταχύτητα υδρόλυσης βρίσκεται σε πρώτης τάξης αναλογία προς την ενεργή υφιστάμενη ετεροτροφική βιομάζα. Μία άλλη είναι ότι η ταχύτητα της διεργασίας μεγαλώνει και τείνει σε σταθερή μέγιστη τιμή, όσο ο λόγος του προσροφημένου υλικού προς την προσροφούσα βιομάζα αυξάνεται (Σχήμα 3.4). Τέλος λόγω της ανάγκης ενζυμικής σύνθεσης, θα πρέπει ο ρυθμός να εξαρτάται από τη συγκέντρωση του υφιστάμενου αποδέκτη ηλεκτρονίων. Επειδή δεν υπήρχαν πληροφορίες για το τι συμβαίνει στην υδρόλυση κάτω από αναερόβιες συνθήκες, εκτός από τις περιορισμένες γνώσεις για την αποσύνθεση που αναφέρθηκαν παραπάνω, έγινε η παραδοχή ότι ο ρυθμός τείνει στο μηδέν με απουσία οξυγόνου και νιτρικών. Όλα τα παραπάνω όπως φαίνεται και στην 7η γραμμή του Πίνακα 3.1 έχουν ενσωματωθεί στο μοντέλο. 92

79 Το οργανικό άζωτο δεχόμαστε ότι διανέμεται ομοιόμορφα σε όλη την αργά βιοδιασπάσιμη τροφή και έτσι ο ρυθμός υδρόλυσης του προσροφημένου οργανικού αζώτου είναι ανάλογος του ρυθμού υδρόλυσης της αργά βιοδιασπάσιμης τροφής. Ο ρυθμός υδρόλυσης της προσροφημένης οργανικής ύλης δίνεται από τη σχέση 4 και ο ρυθμός υδρόλυσης του προσροφημένου οργανικού αζώτου δίνεται από τη σχέση 5, ενώ στο Σχήμα 3.5 φαίνεται η μεταβολή του ρυθμού της υδρόλυσης της τροφής ως συνάρτηση του ποσοστού της αργά βιοδιασπάσιμης ύλης που είναι προσροφημένη στη βιομάζα. X S /X B,H S o K O,H S NO ρ 7 = K h [ + n n ] X B,H (4) K X +(X S /X B,H ) K O,H +S Ο K O,H + S Ο K NO + S NO Χ ΝD ρ 8 = ρ 7 (5) X S Σχήμα 3.5: Μεταβολή του ρυθμού υδρόλυσης συναρτήσει του λόγου X S /X B,H 93

80 3.4 Χαρακτηρισμός των λυμάτων και εκτίμηση των τιμών των παραμέτρων του μοντέλου Γενικά Ένα μοντέλο για να είναι χρήσιμο για το σχεδιασμό και τη λειτουργία ενός συστήματος επεξεργασίας αποβλήτων, θα πρέπει να είναι σε θέση να εκτιμά τις τιμές των χαρακτηριστικών παραμέτρων των λυμάτων καθώς και τις συγκεντρώσεις απαραιτήτων συστατικών στην εισροή. Όπως αναφέρθηκε στην αναλυτική περιγραφή του μοντέλου, αυτό περιέχει 13 συστατικά από τα οποία αν εξαιρέσουμε το X p, όλα τα υπόλοιπα μπορεί να εμφανιστούν στην εκροή. Στην προτεινόμενη σημειογραφία που υιοθετήθηκε χρησιμοποιούνται αριθμητικοί δείκτες για να υποδείξουν τις συγκεντρώσεις των διαφόρων συστατικών στις διάφορες θέσεις μέσα στο σύστημα. (Grau et al., 1982) Θεωρώντας ότι κάποια μορφή προεπεξεργασίας έχει προηγηθεί του συστήματος βιολογικής επεξεργασίας, για τις συγκεντρώσεις της εισροής στο βιοσύστημα χρησιμοποιείται ο δείκτης 1. Έτσι για παράδειγμα τη συγκέντρωση της αργά βιοδιασπάσιμης ύλης στην εισροή συμβολίζεται με X S1. Επίσης, στον Πίνακα 3.1 υπάρχουν 19 παράμετροι, 5 από τις οποίες είναι στοιχειομετρικές και 14 κινητικές. Μερικές από αυτές διαφοροποιούνται ελάχιστα από λύματα σε λύματα και μπορούμε να θεωρήσουμε ότι είναι σταθερές Διαδικασία εκτίμησης κινητικών παραμέτρων Ο λόγος χρησιμοποίησης των δύο συντελεστών κορεσμού K O,H και Κ ΝΟ είναι η λειτουργία τους σαν διακόπτες για να σταματούν την αερόβια ανάπτυξη των ετεροτροφικών και να ξεκινούν την ανοξική ανάπτυξη, όσο η συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου μειώνεται. 94

81 Ομοίως και ο συντελεστής κορεσμού για τους αυτοτροφικούς οργανισμούς Κ Ο,Α χρησιμεύει σαν διακόπτης για να σταματάει τη νιτροποίηση όταν η στάθμη του διαλυμένου οξυγόνου πέφτει χαμηλά.. Γίνεται κατανοητό, επομένως, ότι οι ακριβείς τιμές αυτών των στοιχειομετρικών συντελεστών δεν είναι τόσο κρίσιμες με την προϋπόθεση βέβαια ότι θα έχουν τη σωστή τάξη μεγέθους. Αυτό σημαίνει ότι δεν είναι αναγκαία η εκτίμηση αυτών των παραμέτρων κατά περίπτωση, αλλά είναι προτιμότερη η χρήση σταθερών τιμών από την υπάρχουσα βιβλιογραφία. Η πιο χρήσιμη παράμετρος για το χαρακτηρισμό της ανάπτυξης της αυτοτροφικής βιομάζας είναι η μέγιστη ειδική ταχύτητα ανάπτυξης μ Α. Είναι αρκετά πιο ευαίσθητη στα συστατικά που υπάρχουν στα λύματα από τη σταθερά κορεσμού Κ ΝΗ. Επίσης βάσει αυτής καθορίζεται ο ελάχιστος χρόνος παραμονής στερεών κάτω από το οποίο δεν μπορούν να παραμείνουν στο σύστημα οι νιτροποιητές και επομένως είναι απαραίτητη η ακριβής της μέτρηση. Η προτεινόμενη μέθοδος για τη μέτρηση της μ Α πραγματοποιείται μέσω μιας δυναμικής δοκιμής σε έναν από τους πλήρους μίξης αντιδραστήρες. Αντίθετα με ότι συμβαίνει για την ετεροτροφική αποσύνθεση, ο ειδικός ρυθμός αποσύνθεσης για τα αυτοτροφικά βακτηρίδια στο μοντέλο αυτό είναι αριθμητικά ίσος με την παραδοσιακή σταθερά αποσύνθεσης b A. Αυτό αποδίδεται στο γεγονός ότι η επανακυκλοφορία της οργανικής ύλης που προκαλείται από την αποσύνθεση, οφείλεται αποκλειστικά στη δράση της ετεροτροφικής βιομάζας και όχι της αυτοτροφικής. Από διερευνήσεις προέκυψε το συμπέρασμα ότι είναι πολύ δύσκολη η μέτρηση του b A και προτείνεται ένα διάστημα τιμών από 0,05 έως 0,15 day -1 για τις περισσότερες περιπτώσεις συστημάτων ενεργού ιλύος. Ο συντελεστής κορεσμού για τους νιτροποιητές K NH υπολογίζεται με τη μέθοδο Williamson and McCarthy (1975). Ο συντελεστής αποσύνθεσης της ετεροτροφικής βιομάζας b H είναι πολύ σημαντικός για την πρόβλεψη της παραγόμενης λάσπης και της απαίτησης οξυγόνου και επομένως θα πρέπει να υπολογίζεται κάθε φορά για την συγκεκριμένη λάσπη. 95

82 Δύο σημαντικές παράμετροι για την πρόβλεψη της απονιτροποίησης είναι οι n g και n h. Ο πρώτος n g είναι ένας διορθωτικός παράγοντας ο οποίος προσαρμόζει το μοντέλο τόσο για τυχόν αλλαγές του μ Η που σχετίζονται με τις ανοξικές συνθήκες, όσο και για το γεγονός ότι ενδεχόμενα μόνο ένα μέρος της βιομάζας μπορεί να απονιτροποιήσει. Ο δεύτερος n h είναι ένας διορθωτικός παράγοντας ο οποίος προσαρμόζει το μοντέλο βάσει της παρατήρησης ότι η υδρόλυση της αργά βιοδιασπάσιμης οργανικής ύλης πραγματοποιείται πιο αργά κάτω από ανοξικές συνθήκες απ ότι κάτω από αερόβιες συνθήκες. Οι δύο αυτοί διορθωτικοί παράγοντες έχουν διαφορετικές τιμές με τον n h να είναι μικρότερος του n g. (Dold and Marais, 1986) Η δοκιμή για τον υπολογισμό των δύο αυτών παραμέτρων εκτελείται συγχρόνως με την εκτίμηση του ρυθμού κατανάλωσης του οξυγόνου και των νιτρικών σε δύο ισοδύναμους εργαστηριακούς αντιδραστήρες των οποίων η μόνη διαφορά έγκειται στη φύση του τελικού αποδέκτη ηλεκτρονίων. Στον ένα υπάρχει οξυγόνο και επομένως επικρατούν αερόβιες συνθήκες και στον άλλο υπάρχει νιτρικό άζωτο, δηλαδή επικρατούν ανοξικές συνθήκες. Οι παράμετροι που περιγράφουν την ανάπτυξη της βιομάζας μ Η και K S είναι δύσκολο να εκτιμηθούν με ακρίβεια αλλά δεν είναι τόσο κρίσιμοι, αφού όπως έχει αποδειχθεί το μοντέλο δεν είναι ευαίσθητο σ αυτούς. Βασικός σκοπός του μ Η είναι η πρόβλεψη του μέγιστου ρυθμού κατανάλωσης οξυγόνου (OUR) και επομένως οι μετρήσεις του μ Η θα πρέπει να βασίζονται πρωτίστως σε μετρήσεις του ρυθμού κατανάλωσης οξυγόνου (OUR) παρά στην ανάπτυξη της βιομάζας ή την απομάκρυνση της τροφής. Η συγκέντρωση της εύκολα βιοδιασπάσιμης τροφής στην εκροή σε ένα σύστημα ενεργού ιλύος είναι γενικά αρκετά χαμηλή και επομένως δεν είναι ιδιαίτερα κρίσιμη για τον υπολογισμό της συγκέντρωσης της βιομάζας και του ρυθμού κατανάλωσης οξυγόνου (OUR) που προσομοιώνονται με ιδιαίτερη ακρίβεια. Η κύρια λειτουργία του K S είναι σαν διακόπτης μεταξύ της 1ης και της μηδενικής τάξης κινητικής για την ανάπτυξη της ετεροτροφικής βιομάζας και της κατανάλωσης της τροφής. 96

83 Τέλος, οι μόνοι παράμετροι που απέμειναν είναι ο μέγιστος ειδικός ρυθμός υδρόλυσης K h, ο συντελεστής κορεσμού Κ Χ για την υδρόλυση της αργά βιοδιασπάσιμης οργανικής ύλης και ο ρυθμός αμμωνιοποίησης Κ α. Σε αντίθεση με τα μ Η και K S αυτές οι παράμετροι είναι σχετικά ανεξάρτητες από τη διαμόρφωση του βιοαντιδραστήρα. Η καλύτερη μέθοδος για τον υπολογισμό των K h και Κ Χ είναι μέσω ρύθμισης της πρόβλεψης του μοντέλου σε αντίστοιχα πειραματικά δεδομένα κατανάλωσης οξυγόνου. Αφού όλες οι άλλοι παράμετροι έχουν ήδη προσδιορισθεί οι μόνοι άγνωστοι που προσδιορίζονται με τη ρύθμιση είναι οι δύο παράμετροι της υδρόλυσης. Ένα παρόμοιο πείραμα όπου η νιτροποίηση αναχαιτίζεται χρησιμεύει για τον υπολογισμό του ρυθμού αμμωνιοποίησης, βασιζόμενο στην απελευθέρωση αμμωνίας από διαλυμένο οργανικό άζωτο κατά την περίοδο της μη-ύπαρξης τροφής Τυπικές τιμές των παραμέτρων Οι τιμές των παραμέτρων που εκτιμώνται παρά υπολογίζονται για κάθε περίπτωση παρουσιάζονται στον Πίνακα 3.2. Ο συντελεστής παραγωγής αυτοτροφικής βιομάζας Υ Α είναι μία συνδυασμένη παράμετρος για την ανάπτυξη των βακτηριδίων Nitrosomonas sp. και Nitrobacter sp. Τιμές για τον Υ Α που αναφέρονται στην βιβλιογραφία κυμαίνονται από 0.07 μέχρι 0.28 gr δημιουργούμενου COD/g οξειδωμένου Ν. Η θεωρητική τιμή που προτείνεται, δεδομένου ότι 4,33 gr οξυγόνου απαιτούνται για κάθε νιτρικών που δημιουργούνται, είναι 0.24 gr δημιουργούμενου COD/gr οξειδωμένου Ν. Όπως έχει ήδη σημειωθεί είναι δύσκολη η μέτρηση του ειδικού συντελεστή αποσύνθεσης b A για την αυτοτροφική βιομάζας. Εάν και έχουν αναφερθεί τιμές μεταξύ 0.05 και 0.15 day -1, λίγα είναι γνωστά για την τιμή του b A. Ο συντελεστής f p αντιπροσωπεύει το ποσοστό της βιομάζας που μετατρέπεται σε αδρανή σωματιδιακά προϊόντα λόγω της αποσύνθεσης. Τυπικά περίπου το 20% της δημιουργούμενης βιομάζας θεωρείται ότι συνεισφέρει στο αδρανές σωματιδιακό COD και 97

84 επομένως η τιμή 0.20 χρησιμοποιείται για τον f p. Θα πρέπει να σημειωθεί, παρ όλα αυτά, ότι η αποσύνθεση συνεπάγεται επανακυκλοφορία της βιομάζας μέσω του κύκλου σύνθεσηςεπαναδιάλυσης. Έτσι για να πάρει το παρατηρούμενο ποσοστό των αδρανών προϊόντων που δημιουργούνται ανά μονάδα πτητικών αιωρούμενων στερεών ανάμικτου υγρού (MLVSS) την τιμή 0.20, το ποσοστό αυτών που πραγματικά δημιουργούνται κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου θα πρέπει να είναι λιγότερο από 20%. Αυτό συνεπάγεται από το γεγονός ότι το παρατηρούμενο ποσοστό ισούται με: f p /1-Y H (1-f p ). Εάν το παρατηρούμενο ποσοστό είναι 20% τότε η τιμή του f p για το μοντέλο αυτό θα πρέπει να είναι περίπου Δύο ακόμη στοιχειομετρικούς συντελεστές των οποίων οι τιμές εκτιμώνται παρά υπολογίζονται είναι η μάζα αζώτου στα αδρανή σωματιδιακά προϊόντα. Για την τυπική σύσταση ενός κυττάρου C 5 H 2 O 2 N, η τιμή του i XB θα είναι gn/gr cell COD. Πιθανότατα τα αδρανή σωματιδιακά προϊόντα περιέχουν λιγότερο άζωτο και επομένως μία κατάλληλη τιμή για το i XP είναι 0.06 grn/grcod. Όπως έχει συζητηθεί σε προηγούμενο κεφάλαιο, σκοπός των συντελεστών κορεσμού για τους αποδέκτες ηλεκτρονίων είναι να λειτουργούν σαν διακοπτόμενες λειτουργίες για να ξεκινούν και να σταματούν την αερόβια και την ανοξική ανάπτυξη ανάλογα με τη διακύμανση της συγκέντρωσης του οξυγόνου και των νιτρικών. Ο συντελεστής κορεσμού για το διαλυμένο οξυγόνο K O,H δεν έχει διευκρινισθεί πλήρως αλλά είναι γνωστό ότι μεταβάλλεται σημαντικά από οργανισμό σε οργανισμό. Για παράδειγμα ο Lau (1984) αναφέρει μία τιμή 0.15 gro 2 /m 3 για το βακτηρίδιο Sphaeratilus natans. Λόγω της σπουδαιότητάς του για την πλήρη περιγραφή των κινητικών της απονιτροποίησης, αρκετή έρευνα έχει επικεντρωθεί για την εύρεση του πεδίου τιμών του Κ ΝΟ. Στις περισσότερες περιπτώσεις η απονιτροποίηση είναι μηδενικού βαθμού ως προς τη συγκέντρωση των νιτρικών. Ένα τυπικό εύρος τιμών είναι από 0.1 μέχρι 0.2 gno 3 -N/m 3. Ο συντελεστής κορεσμού για την επίδραση του οξυγόνου στην αυτοτροφική βιομάζα είναι σημαντικός λόγω των συνεπειών που μπορούν να έχουν για την αυτοτροφική βιομάζα οι χαμηλές 98

85 συγκεντρώσεις του διαλυμένου οξυγόνου. Στη βιβλιογραφία αναφέρονται τιμές που κυμαίνονται μεταξύ 0.5 και 2.0 gro 2 /m 3. Ο Parker et al. (1975) χρησιμοποιούσε την τιμή 1.3 gro 2 /m 3. Οι παράμετροι οι οποίες πρέπει να υπολογίζονται κάθε φορά για διαφορετικά λύματα παρουσιάζονται στον Πίνακα 3.2. Επίσης σημειώνεται και η σειρά με την οποία θα πρέπει να υπολογίζονται. Ο συντελεστής απόδοσης ετεροτροφικής βιομάζας Υ H εξαρτάται τόσο από τη φύση της τροφής, όσο και από τον αριθμό των μικροοργανισμών που πραγματοποιούν τη διάσπαση της τροφής. Για διάφορες αμιγείς καλλιέργειες αναπτυσσόμενες σε διαφορετικές τροφές η τιμή του Υ Η παρουσιάζεται μεταξύ 0.46 και 0.69 gr δημιουργούμενων κυττάρων σαν καταναλισκόμενης τροφής σαν COD. Τιμές του Υ Η για μικτές καλλιέργειες αναπτυσσόμενες σε διαφορετικές τροφές έχουν βρεθεί στο ίδιο εύρος τιμών. Η ύπαρξη υπολογίσιμων συγκεντρώσεων μικροοργανισμών στα εισερχόμενα λύματα οι οποίες στις περισσότερες περιπτώσεις δεν ανιχνεύονται κατά το χαρακτηρισμό των λυμάτων επηρεάζει τη τιμή του Υ Η. Μέχρι σήμερα πολύ λίγα είναι γνωστά για αυτή την επίδραση. Η παράμετρος μ Α είναι μία από τις κρισιμότερες του μοντέλου καθώς καθορίζει το χρόνο παραμονής στερεών στον οποίο λαμβάνει μέρος έκπλυση των αυτοτροφικών μικροοργανισμών. Επειδή η νιτροποίηση προσομοιώνεται σαν διεργασία ενός βήματος και αφού τα Nitrobacter sp. θεωρείται ότι έχουν υψηλότερους μέγιστους ειδικούς ρυθμούς ανάπτυξης από τα Nitrosomonas sp., η τιμή του μ Α σχετίζεται με την απομάκρυνση του αμμωνιακού αζώτου που αντιστοιχεί στην ανάπτυξη των Nitrosomonas sp. Οι τιμές που αναφέρονται στη βιβλιογραφία κυμαίνονται μεταξύ 0.34 και 0.65 day -1 για ανάμικτες καλλιέργειες που οξειδώνουν το αμμωνιακό άζωτο κάτω από τις βέλτιστες εργαστηριακές συνθήκες. Επειδή η αυτοτροφική βιομάζα επηρεάζεται από αρκετούς περιβαλλοντικούς παράγοντες όπως το ph και η θερμοκρασία, είναι σημαντικό η ακριβής τιμή του μ Α για τα συγκεκριμένα λύματα να μετρείται. Ο συντελεστής αποσύνθεσης της ετεροτροφικής βιομάζας είναι σημαντικός επειδή έχει μεγάλη επίδραση στον υπολογισμό της συγκέντρωσης της βιομάζας. Σε προηγούμενες 99

86 προσομοιώσεις δεν λαμβάνονται υπόψη η επανακυκλοφορία της τροφής λόγω αποσύνθεσης με τον ίδιο τρόπο που έχει υιοθετηθεί στο μοντέλο της IAWQ. Συνεπώς είναι δύσκολο να συγκριθούν τιμές του συντελεστή αποσύνθεσης της ετεροτροφικής βιομάζας που χρησιμοποιήθηκαν σε παλαιότερα μοντέλα μ αυτές που χρησιμοποιούνται στο παρόν μοντέλο. Επειδή το εύρος των τιμών που κυμαίνεται ο b H είναι μεγάλο, προτείνεται η μέτρησή του για κάθε είδος λυμάτων. Ο συντελεστής διόρθωσης για την απονιτροποίηση n g συμπεριλαμβάνεται στο μοντέλο για να δείξει ότι είτε ο μέγιστος ρυθμός απομάκρυνσης της εύκολα-βιοδιασπάσιμης τροφής ανά μονάδα βιομάζας είναι μικρότερος κάτω από ανοξικές συνθήκες είτε ότι δεν απονιτροποιούν όλα τα ετεροτροφικά βακτηρίδια. Εάν και δεν υπάρχουν αρκετές μετρήσεις αυτής της παραμέτρου προτείνονται τιμές μεταξύ 0.6 και 1.0. Δύο άλλες παράμετροι που καταγράφονται στον Πίνακα 3.2 είναι οι μ Η και K S που περιγράφουν την ανάπτυξη της ετεροτροφικής βιομάζας. Εξαρτώνται και οι δύο σε σημαντικό βαθμό από τη φύση των λυμάτων και επομένως το εύρος των τιμών τους που αναφέρονται στη βιβλιογραφία είναι μεγάλο. Επιπλέον, επηρεάζονται και από τη μορφή των βιοαντιδραστήρων. Έτσι για το μ Η προτείνονται τιμές στο διάστημα day -1 και για τον Ks από 10 μέχρι 180 g/m 3. Ο μέγιστος ειδικός ρυθμός υδρόλυσης K h, ο συντελεστής κορεσμού για την υδρόλυση της αργά-βιοδιασπάσιμης τροφής K X και ο ρυθμός αμμωνιοποίησης Κα είναι σχετικά νέες παράμετροι για τις οποίες πολύ λίγες πληροφορίες υπάρχουν. Η παράμετρος n h χρησιμοποιείται για να μειώσει τον μέγιστο ειδικό ρυθμό υδρόλυσης κάτω από ανοξικές συνθήκες. Προτείνεται η τιμή 0.4 (Dold and Marais, 1986). Θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι τιμές που δίνονται στον Πίνακα 3.2 θεωρούνται τυπικές για ουδέτερο ph και για αστικά λύματα. Επίσης θα πρέπει να τονιστεί ότι οι τιμές πολλών 100

87 παραμέτρων επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό από τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Έτσι αν και προτείνεται η χρήση αυτών των τιμών ελλείψει συγκεκριμένων πληροφοριών, είναι προφανές ότι η υιοθέτησή τους θα πρέπει να γίνεται μετά από προσεκτική αξιολόγηση των εκάστοτε δεδομένων. Oι τυπικές τιμές των παραμέτρων που αναλύθηκαν παραπάνω και οι οποίες προτείνονται από την ομάδα εργασίας της IWA παρουσιάζονται στον Πίνακα 3.2 που ακολουθεί στην επόμενη σελίδα. 101

88 Πίνακας 3.2: Τυπικές τιμές των παραμέτρων για ουδέτερο ph Σύμβολο Μονάδες Τιμή (20 C) Τιμή (10 C) Στοιχειομετρικές παράμετροι Υ Α Υ Η gr δημιουργούμενου κυττάρου COD 0,240 0,240 (gr οξειδωμένου Ν) -1 gr δημιουργούμενου κυττάρου COD 0,670 0,670 (gr οξειδωμένου COD) -1 f p αδιάστατο 0,080 0,080 i XB gr N (gr COD) -1, στη βιομάζα 0,086 0,086 i XP gr N (gr COD) -1, στην ενδογενή μάζα 0,060 0,060 Κινητικές παράμετροι μ Η ημέρα -1 6,00 3,00 K S gr COD m -3 20,00 20,00 K Ο,Η gr O 2 m -3 0,20 0,20 K ΝΟ gr NO 3 -N m -3 0,50 0,50 b H ημέρα -1 0,62 0,20 n g αδιάστατο 0,80 0,80 n h αδιάστατο 0,40 0,40 K h K X gr εύκολα βιοδιασπάσιμου COD 3,00 1,00 (gr κυττάρου COD ημέρα) -1 gr εύκολα βιοδιασπάσιμου COD 0,03 0,01 (gr κυττάρου COD) -1 μ A ημέρα -1 0,80 0,30 K NH grnh 3 -Nm -3 1,00 1,00 K O,A gro 2 m -3 0,40 0,40 K α m 3 COD (gr ημέρα) -1 0,08 0,04 102

89 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΙV ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΗΣ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΒΑΘΜΙΔΑΣ ΤΟΥ ΚΕΛ ΨΥΤΤΑΛΕΙΑΣ 4.1 Εισαγωγή Στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της μαθηματικής προσομοίωσης της λειτουργίας της βιολογικής βαθμίδας του ΚΕΛΨ. Το ροϊκό διάγραμμα της βιολογικής βαθμίδας, όπως αυτή προσομοιώθηκε απεικονίζεται στο σχήμα 4.1 : r*q Q-w Είσοδος Q FS D1 D2/3 A1 A2 A3 A4 A5 κανάλι R*Q W Σχήμα 4.1: Διάγραμμα ροής της εγκατάστασης 103

90 Bιολογικοί αντιδραστήρες: Ο συνολικός όγκος περιλαμβάνει τον όγκο της ανοξικής δεξαμενής και της δεξαμενής αερισμού και για τις δώδεκα γραμμές επεξεργασίας. Οι βιοαντιδραστήρες είναι κατάλληλα διαμερισματοποιημένοι, με αναερόβια ζώνη επιλογής μικροοργανισμών (D 1 ), ανοξική ζώνη (D 2/3 ), αερόβιες ζώνες (A 1, A 2, A 3 και Α 4 ) και ζώνη απαερίωσης (Α 5 ). Οι όγκοι του κάθε διαμερίσματος είναι : V D1 = 1405 m 3 V D2/3 = 7880 m 3 V A1 =V A2 = 4585 m 3 V A3 =V A4 = 2847 m 3 V A5 = 695 m 3 O συνολικός όγκος και για τις 12 γραμμές επεξεργασίας είναι m³ Δεδομένου του μεγάλου όγκου του καναλιού, του οποίου πραγματοποιείται η ανακυκλοφορία της ιλύος (18000 m 3 ) κρίθηκε σκόπιμο να χρησιμοποιηθεί ο όγκος αυτός στη προσομοίωση, καθώς αναμένεται έστω και με μικρούς ρυθμούς επιτέλεση αρκετών βιολογικών διεργασιών εντός αυτού. Αντλίες εσωτερικής ανακυκλοφορίας: Κάθε βιοαντιδραστήρας είναι εξοπλισμένος με τρεις (3) αντλίες εσωτερικής ανακυκλοφορίας για τις ανάγκες της απονιτροποίησης, όπου η μία είναι εφεδρική, έκαστης δυναμικότητας 1m 3 /sec. Αντλίες εξωτερικής ανακυκλοφορίας: Η ανακυκλοφορία της ενεργού ιλύος από τις δεξαμενές καθίζησης προς τους βιοαντιδραστήρες γίνεται από δώδεκα (12) υποβρύχιες αξονικές αντλίες, μοναδιαίας παροχής 1,5 m 3 /s, τοποθετημένες εντός των βιοαντιδραστήρων. 104

91 Αντλίες περίσσειας ιλύος: Το αντλιοστάσιο περίσσειας ιλύος αποτελείται από τέσσερις (4) φυγοκεντρικές αντλίες ξηρού τύπου, παροχής 0,2 m 3 /s εκάστη. Συνολική επιφάνεια των δεξαμενών καθίζησης: Ο διαχωρισμός της βιομάζας από τα επεξεργασμένα λύματα, πραγματοποιείται σε εξήντα τέσσερις (64) ορθογωνικές δεξαμενές καθίζησης, συνολικής επιφάνειας m 2. Οι δεξαμενές τελικής καθίζησης είναι δύο διαμερισμάτων (διαμέρισμα υψηλής και χαμηλής φόρτισης), τύπου Gould II, εξοπλισμένες με ξέστρα συνεχούς σάρωσης και στα δύο διαμερίσματα. Φυσητήρες/Διαχυτήρες: Συνολικά είναι τοποθετημένοι διαχυτήρες ελαστικής μεμβράνης. Η παροχή του απαιτούμενου αέρα, εξασφαλίζεται από συγκρότημα επτά (7) φυγοκεντρικών αεροσυμπιεστών συνολικής δυναμικότητας m 3 /h σε τυπικές συνθήκες (20 o C, 1013 mbar, 60% υγρασία) που είναι εγκατεστημένοι στο κτίριο φυσητήρων. Η συνολική ικανότητα μεταφοράς οξυγόνου του συστήματος αερισμού είναι kgo 2 /h σε τυπικές συνθήκες (καθαρό νερό, 20 o C, απουσία διαλυμένου οξυγόνου) στις αεριζόμενες ζώνες. Στα σενάρια που εφαρμόστηκαν δόθηκε ιδιαίτερη προσοχή στα φορτία εκροής ώστε αυτά είναι σύμφωνα με τις απαιτήσεις της Οδηγίας 91/271 της Ε.Ε. για ευαίσθητους αποδέκτες αλλά και της Απόφασης Υοικ 8105/ του Νομάρχη Πειραιά. Στον παρακάτω πίνακα απεικονίζονται τα απαιτούμενα ποιοτικά χαρακτηριστικά των τελικών εκροών (μετά την έξοδο από τις δεξαμενές τελικής καθίζησης). 105

92 Πίνακας 4.1: Χαρακτηριστικά επεξεργασμένων λυμάτων Παράμετρος Χαρακτηριστικά επεξεργασμένων λυμάτων Ανώτατο όριο συγκέντρωσης Ελάχιστο ποσοστό δειγμάτων που θα ικανοποιούν τις απαιτήσεις* BOD 25 mg/l 93% COD 125 mg/l 93% TSS 35 mg/l 93% Ολικό άζωτο απομάκρυνση % σε ετήσιο μέσο όρο * Ελάχιστος αριθμός δειγμάτων ανά έτος, σύμφωνα με την Οδηγία 91/271 της Ε.Ε., είκοσι τέσσερα (24) ανά έτος. Έχουν καθοριστεί επιπλέον τα παρακάτω όρια για τη διάθεση των επεξεργασμένων λυμάτων του ΚΕΛΨ στο Σαρωνικό κόλπο: Αμμωνιακό Άζωτο : <5mg/l Λίπη και Έλαια : <0,2mg/l Καθιζάνοντα στερεά εντός 2 ωρών σε κώνο Imhoff < 0,5mg/l Σε όλες τις εφαρμογές προσομοιώθηκε η λειτουργία ενός βιολογικού αντιδραστήρα και μίας δεξαμενής τελικής καθίζησης με επιφάνεια ίση με την ισοδύναμη επιφάνεια που αντιστοιχεί σε μία γραμμή λειτουργίας. 106

93 4.2 Κλασματοποίηση του COD Για την κλασματοποίηση του οργανικού φορτίου των λυμάτων λήφθηκαν υπόψιν τόσο βιβλιογραφικά δεδομένα όσο και αποτελέσματα χαρακτηρισμού των πρωτοβάθμια επεξεργασμένων λυμάτων που πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας το Πίνακας 4.2:Κλασματοποίηση του COD ΧΩΡΑ/ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ S I S RB X S X I Βιβλιογραφική πηγή Ανεπεξέργαστα λύματα Νότια Αφρική Ελβετία Ουγγαρία Δανία Γαλλία, πιλοτικό Γαλλία, Valenton Ελβετία, Flawil (22 C) Ελβετία,Tuffenwies (22 C) Ελβετία, Dietikon (22 C) Δανία, Lundtofte Ελλάς, Μεταμόρφωση Πρωτοβάθμια επεξεργασμένα λύματα Δανία, Lundtofte Ελβετία, Zurich Νότια Αφρική Ελλάς, Μεταμόρφωση Ελλάς, Ψυττάλεια Ελλάς, ΕΕΛ Βόλου Ελλάς, Ψυττάλεια , Ekama et al, 1986 Henze et al, 1987 Henze et al, 1987 Henze et al, 1987 Lesouef et al, 1992 Lesouef et al, 1992 Kappeler & Gujer, 1992 Kappeler & Gujer, 1992 Kappeler & Gujer, 1992 Henze et al, 1992 ΚΕΡΕΦΥΤ, 1995 Henze et al, 1992 Sollfrank, 1988 Ekama et al, 1986 ΚΕΡΕΦΥΤ, 1995 Ψυττάλεια, Βόλος, 2001 Ψυττάλεια, 2004 Με βάση τα ανωτέρω, στα σενάρια που εφαρμόστηκαν στη μαθηματική προσομοίωση υιοθετήθηκε η ακόλουθη κλασματοποίηση του COD : Διαλυμένα αδρανή S I = 9% *COD ολ Σωματιδιακά αδρανή οργανικά, XΙ = 6%*COD ολ Εύκολα βιοδιασπάσιμη τροφή Ss = 20%*COD ολ Αργά βιοδιασπάσιμη τροφή, Xs = 65%*COD ολ 107

94 4.3 Εξεταζόμενα σενάρια Στόχος της εφαρμογής της μαθηματικής προσομοίωσης είναι αφενός η ρύθμιση και η επαλήθευση του μοντέλου με βάση τα λειτουργικά δεδομένα και αφετέρου η βελτιστοποίηση της λειτουργίας της βιολογικής βαθμίδας μέσω πρότασης κατάλληλων διορθωτικών παρεμβάσεων. Τέλος, λαμβάνοντας υπόψιν τις διακυμάνσεις, οι οποίες χαρακτηρίζουν τόσο τις εισερχόμενες παροχές όσο και τη σύσταση των ρυπαντικών φορτίων επιχειρήθηκε η προσομοίωση της λειτουργίας της βιολογικής βαθμίδας σε δυναμικές συνθήκες φόρτισης. Με βάση τα ανωτέρω, οι εφαρμογές του μοντέλου που πραγματοποιήθηκαν στα πλαίσια της παρούσας εργασίας μπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες ως ακολούθως : Σειρά Εφαρμογών Α : Ρύθμιση και Επαλήθευση του μοντέλου Στα πλαίσια αυτής της σειράς εφαρμογών, πρωταρχικός στόχος είναι η ρύθμιση του μοντέλου μέσω επιλογής ρεαλιστικών τιμών για τις στοιχειομετρικές και κινητικές παραμέτρους. Στη συνέχεια, με βάση τα επιλεγόμενα σετ κινητικών και στοιχειομετρικών παραμέτρων στόχος είναι η επαλήθευση του μοντέλου. Σειρά Εφαρμογών Β : Διερεύνηση απαιτούμενων παρεμβάσεων για τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας Στα πλαίσια αυτής της σειράς εφαρμογών και με δεδομένες τις σχετικά υψηλές συγκεντρώσεις των ΝΗ 4 -Ν καθόλη τη διάρκεια του έτους διερευνήθηκε η επίδραση που μπορεί να έχει η αύξηση του αερόβιου όγκου με εξοπλισμό με διαχυτές μέρους της ανοξικής δεξαμενής D 2/3. Σειρά Εφαρμογών Γ : Εφαρμογή μοντέλου για δυναμικές συνθήκες Δεδομένης της μεγάλης ωριαίας μεταβλητότητας που χαρακτηρίζει τόσο την εισερχόμενη παροχή, όσο και τις συγκεντρώσεις των ρυπαντικών φορτίων, στα πλαίσια αυτής της σειράς έγινε προσομοίωση των δυναμικών συνθηκών για διαφορετικά σενάρια μεταβλητότητας. 108

95 Σ ότι αφορά στις στοιχειομετρικές και κινητικές παραμέτρους του μοντέλου, αυτές προέκυψαν ύστερα από τη ρύθμιση αυτού με βάση τα λειτουργικά δεδομένα. Αναλυτικά στοιχεία δίνονται στα επιμέρους σενάρια. Διάγραμμα 4.1: Φορτία COD στην είσοδο του βιολογικού αντιδραστήρα για τους μήνες Φεβρουάριο - Νοέμβριο Διάγραμμα 4.2: Φορτία ΝΗ 4 -Ν στην είσοδο του βιολογικού αντιδραστήρα για τους μήνες Φεβρουάριο - Νοέμβριο

96 Διάγραμμα 4.3: Μέσες μηνιαίες παροχές στην είσοδο του βιολογικού αντιδραστήρα για τους μήνες Φεβρουάριο - Νοέμβριο Τα σενάρια που ακολουθούν εφαρμόστηκαν για τους μήνες Φεβρουάριο, Απρίλιο και Ιούλιο. Η επιλογή αυτή των μηνών έγινε ώστε η εγκατάσταση ΚΕΛΨ να προσομοιωθεί στο μοντέλο για μικρή, μέση και μεγάλη θερμοκρασία, αλλά και για μικρά και μεγάλα ρυπαντικά φορτία (COD, NH 4 -N) στην είσοδο της βιολογικής βαθμίδας. Ειδικότερα, η εγκατάσταση προσομοιώθηκε για: Μικρή θερμοκρασία με μεγάλα ρυπαντικά φορτία (Φεβρουάριο δυσμενείς συνθήκες λειτουργίας) Μέση θερμοκρασία με σχετικά μεγάλα ρυπαντικά φορτία (Απρίλιος ήπιες συνθήκες λειτουργίας) Μεγάλη θερμοκρασία με μικρά ρυπαντικά φορτία (Ιούλιος ευνοϊκές συνθήκες λειτουργίας) Η βαθμονόμηση του προσομοιωτή πραγματοποιήθηκε για μέση θερμοκρασία και για σχετικά μεγάλο οργανικό φορτίο εισόδου. Όπως φαίνεται στα ανωτέρω διαγράμματα ο μήνας που καλύπτει τα παραπάνω χαρακτηριστικά είναι ο Απρίλιος. 110

97 4.3.1 Σενάριο Α1: Ρύθμιση του μοντέλου Επαλήθευση Για τους μήνες που εφαρμόστηκε η μαθηματική προσομοίωση (Φεβρουάριο, Απρίλιο και Ιούλιο), παρατηρήθηκε ικανοποιητική απόδοση του συστήματος ως προς την επεξεργασία του οργανικού φορτίου, αλλά όχι και του αζώτου. Κατά συνέπεια, για τις ανάγκες της νιτροποίησης-απονιτροποίησης οι παράμετροι, οι οποίοι μεταβλήθηκαν για να αντιμετωπιστούν τα παραπάνω προβλήματα ήταν ο μέγιστος ειδικός ρυθμός ανάπτυξης των νιτροποιητών μ Νmax και ο ρυθμός θανάτου αυτών, b N. Ξεκινώντας από τυπικές τιμές παραμέτρων ΙWA και κάνοντας συνεχείς ρυθμίσεις ώστε να προκύψουν ρεαλιστικές τιμές προσδιορίστηκε το ακόλουθο σετ παραμέτρων (πίνακας 4.3). 111

98 Πίνακας 4.3: Στοιχειομετρικές και Κινητικές παράμετροι Παράμετροι Μονάδες Τιμή Αριθμός Τιμή Τιμή Τιμή (20 C) Arrhenius (19 C) (15 C) (25 C) Στοιχειομετρικές παράμετροι Συντελεστής παραγωγής αυτοτρ. g COD/gN 0,12 0,12 0,12 0,12 Βιομάζας Υ Α Συντελεστής παραγωγής ετεροτρ. g COD/gCOD 0,62 0,62 0,62 0,62 Βιομάζας Υ Η Ποσοστό αδρανούς COD στη βιομάζα f p αδιάστατο 0,08 0,08 0,08 0,08 Ν στη βιομάζα i XB g N /g COD 0,086 0,086 0,086 0,086 Ν στο αδρανές COD i XI g N /g COD 0,01 0,01 0,01 0,01 Κινητικές παράμετροι Ετεροτροφική Βιομάζα Μέγιστη ειδ. ταχύτητα ανάπτ. Ετεροτρ. d ,072 5,6 4,2 8,5 βιομάζας μ Η Σταθερά Monod για τροφή K S gr COD m Σταθερά Monod για οξυγόνο Kοa gr O 2 m -3 0,2 1 0,2 0,2 0,2 Σταθερά Monod για νιτρικά K ΝΟ gn/m 3 0,5 1 0,5 0,5 0,5 Σταθερά Monod για για αμμωνιακό Ν Κna Συντελεστής αποσύνθεσης b H Διορ. συντελεστής αναπτ. απονιτρ. n g Αυτοτροφική Βιομάζα Μέγιστη ειδ. ταχύτητα ανάπτ.αυτοτρ. Βιομ. μ A Συντελεστής αποσύνθεσης b Α Σταθερά Monod για για αμμωνιακό Ν Κna Σταθερά Monod για οξυγόνο Kοa Υδρόλυση Μεγ. Ειδ. Ρυθμός Υδρόλυσης K h Συντελεστής Κορεσμού K X Ρυθμός Αμμωνιοποίησης K α Διορθ. Συντελεστής για Ανοξ.Συνθ. n h gn/m 3 0,01 1 0,01 0,01 0,01 d -1 0,62 1,116 0,56 0,36 1,07 αδιάστατο 0,8 0,8 0,8 0,8 d -1 0,68 1,103 0,62 0,42 1,11 d -1 0,12 1,092 0,11 0,08 0,19 gn/m go 2 /m 3 0,4 1 0,4 0,4 0,4 gcod/gcod/d 3 1,116 2,7 1,7 5,2 gcod/gcod/d 0,03 1,116 0,027 0,02 0,1 m 3 /gcod/d 0,08 1,072 0,075 0,06 0,11 αδιάστατο 0,4 0,4 0,4 0,4 112

99 A.1.1 Ρύθμιση του μοντέλου για τα δεδομένα λειτουργίας του Απριλίου (19 ο C) Στο σημείο αυτό θα πρέπει να αναφερθεί ότι αυτή η προσομοίωση θεωρείται σαν σύστημα αναφοράς. Κατά την πραγματοποίηση των προσομοιώσεων μεταβλήθηκαν τα λειτουργικά χαρακτηριστικά, προκειμένου να μελετηθεί η επίδρασή τους στην απομάκρυνση του οργανικού φορτίου και του αζώτου, καθώς επίσης και να γίνει βελτιστοποίηση του συστήματος, επιλέγοντας τις καλύτερες θεωρητικά τιμές. Η ποσοτική και ποιοτική σύσταση των λυμάτων που φαίνονται στον πίνακα 4.4 είναι ίδια για όλες τις προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν για τον μήνα Απρίλιο. Πίνακας 4.4: Λειτουργικά χαρακτηριστικά μοντέλου προσομοίωσης για τον Απρίλιο Παράμετρος Μέγεθος Μονάδες Q m³/d BOD 312 mg/l COD 709 mg/l TSS 214 mg/l VSS 168 mg/l NH4-N 43,4 mg/l TKNd 50,7 mg/l TN 62,4 mg/l w 2555 m³/d RAS 100% R EA 2 αντλίες * Si 9% Xi 6% Ss 20% Xs 65% Tλυμ 19 ο C * αντλία εσωτερικής ανακυκλοφορίας έχει δυναμικότητα 1m 3 /sec ή m 3 /d Για τη προσομοίωση που πραγματοποιήθηκε για το μήνα Απρίλιο επιλέχτηκε μέγιστος ειδικός ρυθμός ανάπτυξης νιτροποιητικών βακτηρίων μ Νmax = 0,68 d -1 και ρυθμός θανάτου της αυτοτροφικής βιομάζας b N = 0,12d -1. Στο μοντέλο χρησιμοποιήθηκαν τα φορτία εισόδου της βιολογικής βαθμίδας με βάση τα λειτουργικά αποτελέσματα του Απριλίου 2008, τα οποία προέρχονται από μετρήσεις που έλαβαν χώρα στο ΚΕΛΨ από το προσωπικό λειτουργίας (πίνακας 4.4). Το διαλυμένο οξυγόνο και στα 4 διαμερίσματα του αερόβιου αντιδραστήρα ορίστηκε 2 mg/l. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται το διάγραμμα ροής για την παροχή σχεδιασμού Q = m³/day το μήνα Απρίλιο. 113

100 r*q = m 3 /d Q-w = m 3 /d Q=69257 m 3 /d AS1 AS2 AS3 AS4 AS5 AS6 AS7 FS m 3 /d m 3 /d AS8 R*Q = m 3 /d W=2555m 3 /d Σχήμα 4.2 : Σχεδιάγραμμα για τον μήνα Απρίλιου 114

101 Πίνακας 4.5: Αποτελέσματα μαθηματικής προσομοίωσης για τα δεδομένα λειτουργίας το μήνα Απρίλιο Παράμετρος Μονάδες Τιμές MLSS D1 mg/l 3837 D2/3 mg/l 3867 A1 mg/l 3937 A2 mg/l 3938 A3 mg/l 3935 A4 mg/l 3931 A5 mg/l 3930 Κανάλι mg/l 7569 NH 4 -N D1 mg/l 33,2 D2/3 mg/l 20,4 A1 mg/l 11,7 A2 mg/l 9 A3 mg/l 7,7 A4 mg/l 6,4 A5 mg/l 6,2 Κανάλι mg/l 8,3 NO 3 -N D1 mg/l 0 D2/3 mg/l 0 A1 mg/l 0,3 A2 mg/l 2,4 A3 mg/l 3,8 A4 mg/l 5,2 A5 mg/l 5,3 Κανάλι mg/l 0 NUR D1 mgno 3 -N/gVSS hr 0,02 D2/3 mgno 3 -N/gVSS hr 1,25 AUR A1 mgnh 4 -N/gVSS hr 2 A2 mgnh 4 -N/gVSS hr 1,99 A3 mgnh 4 -N/gVSS hr 1,99 A4 mgnh 4 -N/gVSS hr 1,96 OUR A1 kg O 2 /d/ba A2 kg O 2 /d/ba 6437 A3 kg O 2 /d/ba 3340 A4 kg O 2 /d/ba 3277 Σύνολο kg O 2 /d/ba N/m 3 hr Χαρακτηριστι κά εξόδου CODολ. mg/l 75,6 CODδιαλ. mg/l 62,9 SS mg/l 12,7 Ολικό-Ν mg/l 13,3 ΤΚΝ mg/l 8,14 ΝΗ 4 -Ν mg/l 6,2 ΝΟ 3 -Ν mg/l 5,3 Παραγόμενη λάσπη kg/day/βα θc days 5,2 115

102 Στο πίνακα 4.6 παρατίθενται τα φορτία εξόδου της βιολογικής βαθμίδας με βάση τα λειτουργικά αποτελέσματα του Απριλίου 2008, τα οποία προέρχονται από μετρήσεις που έλαβαν χώρα στο ΚΕΛΨ από το προσωπικό λειτουργίας. Πίνακας 4.6: Λειτουργικά δεδομένα για το μήνα Απρίλιο Παράμετρος Μονάδες Τιμές MLSS mg/l 4000 OUR N/m 3 hr Χαρακτηριστικά εξόδου CODολ. SS Ολικό-Ν ΤΚΝ ΝΗ 4 -Ν ΝΟ 3 -Ν mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l ,2 9,4 6,1 4,4 Παραγόμενη λάσπη kg/day/βα θc days 5,0 Τα συμπεράσματα που προκύπτουν από την σύγκριση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης μ αυτά που λήφθηκαν από το προσωπικό λειτουργίας του ΚΕΛΨ για το μήνα Απρίλιο είναι τα ακόλουθα : Δεν διαπιστώθηκαν ουσιαστικές διαφορές ως προς τα φορτία εξόδου της βιολογικής βαθμίδας (COD εκροής,τss εκροής ΝΗ 4 -Ν εκροής και ΝΟ 3 -Ν εκροής ). Παρατηρήθηκε παρόμοιος χρόνος παραμονής στερεών Θ c, καθώς και μικρή απόκλιση ως προς τη ποσότητα της παραγόμενης λάσπης της τάξεως του 1,5%. Οι ρυθμοί νιτροποίησης που προέκυψαν από τη προσομοίωση (2 gn/kgvss*h) είναι σχετικά κοντά στο μέσο ρυθμό νιτροποίησης που υπολογίστηκε για τον μήνα Απρίλιο από την ανάλυση των λειτουργικών δεδομένων (2,6 gn/kgvss*h). Όσον αφορά την απονιτροποίηση που πραγματοποιείται, στην ανοξική δεξαμενή D 2/3 επιτυγχάνεται σε ικανοποιητικό βαθμό με ρυθμό 1,25 gnο 3 -Ν/kgVSS*h, ενώ όπως και ήταν αναμενόμενο στη δεξαμενή D 1, o ρυθμός απονιτροποίησης είναι αμελητέος, καθώς επικρατούν αναερόβιες συνθήκες. O απαιτούμενος αέρας που προκύπτει από τη προσομοίωση και από την ανάλυση των λειτουργικών δεδομένων για το μήνα Απρίλιο είναι σημαντικά μεγαλύτερος από τον προσφερόμενο κατά 24 και 9 % αντίστοιχα. 116

103 Πίνακας 4.7: Κατανομή προσφερόμενου αέρα στη βιολογική βαθμίδα για το μήνα Απρίλιο Αερόβια Διαμερίσματα Βιολογικής Βαθμίδας Nair (μοντέλο) (%) Nair ΚΕΛΨ (%) Α1 61,3 55,1 Α2 19,9 27,0 Α3 9,5 10,3 Α4 9,3 7,5 Συγκρίνοντας την κατανομή του αέρα στα αερόβια διαμερίσματα Α 1, Α 2, Α 3 και Α 4 που προέκυψε από τη προσομοίωση με αυτή που λήφθηκε από τα λειτουργικά δεδομένα δεν παρατηρούνται ουσιαστικές διαφορές. Από τον ανωτέρω πίνακα παρατηρείται ότι και στις δύο περιπτώσεις, στα διαμερίσματα Α 1 και Α 2 προσφέρεται πάνω από το 80% του συνολικού αέρα. Διάγραμμα 4.4: Κατανομή προσφερόμενου αέρα στη βιολογική βαθμίδα για το μήνα Απρίλιο 117

104 Από το διάγραμμα 4.4 παρατηρείται ότι απαιτούμενος αέρας είναι σημαντικά μεγαλύτερος από τον προσφερόμενο στο διαμέρισμα Α 1, στο οποίο και γίνεται η μεγαλύτερη απομάκρυνση των ρυπαντικών φορτίων. Δεδομένης αυτής της διαπίστωσης θα ανέμενε κανείς η ποιότητα της εκροής που προέκυψε από μαθηματική προσομοίωση να είναι διαφορετική από αυτή που λήφθηκε από το ΚΕΛ Ψυττάλειας, κάτι όμως που δε συνέβη. Οι διαφορές αυτές ανάμεσα στον απαιτούμενο αέρα και τον προσφερόμενο μπορεί ενδεχομένως να σχετίζεται με την προβληματική λειτουργία των μετρητών διαλυμένου οξυγόνου, οι οποίοι είναι εγκατεστημένοι στα αερόβια διαμερίσματα των βιολογικών αντιδραστήρων. Α.1.2 Επαλήθευση του μοντέλου για τα δεδομένα λειτουργίας τον Ιούλιο (25 ο C) Αφού διαπιστώθηκε ότι η εγκατάσταση λειτουργεί ικανοποιητικά υπό την παροχή σχεδιασμού στους 19 ο C, με αυτές τις παραμέτρους η επόμενη προσομοίωση εφαρμόστηκε για μεγαλύτερη θερμοκρασία ( Ιούλιο - 25 ο C). Η ποσοτική και ποιοτική σύσταση των λυμάτων που παρατίθενται στον πίνακα 4.8 χρησιμοποιείται για όλες τις προσομοιώσεις, οι οποίες εφαρμόστηκαν για τον μήνα Ιούλιο. Πίνακας 4.8: Λειτουργικά χαρακτηριστικά μοντέλου προσομοίωσης για τον Ιούλιο Παράμετρος Μέγεθος Μονάδες Q m³/d BOD 211 mg/l COD 533 mg/l TSS 230 mg/l VSS 183 mg/l NH4-N 40 mg/l TKNd 53 mg/l TN 64 mg/l w 1708 m³/d RAS 80% R EA 2 αντλίες * Si 9% Xi 6% Ss 20% Xs 65% Tλυμ 25 ο C * αντλία εσωτερικής ανακυκλοφορίας έχει δυναμικότητα 1m 3 /sec ή m 3 /d 118

105 Στο μοντέλο χρησιμοποιήθηκαν τα φορτία εισόδου της βιολογικής βαθμίδας με βάση τα λειτουργικά αποτελέσματα του Ιουλίου 2008, τα οποία προέρχονται από μετρήσεις που έλαβαν χώρα στο ΚΕΛΨ από το προσωπικό λειτουργίας. Το διαλυμένο οξυγόνο και στα 4 διαμερίσματα του αερόβιου αντιδραστήρα (A1,A2,A3,A4) ορίστηκε 2 mg/l. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται το διάγραμμα ροής για την παροχή σχεδιασμού Q = m³/day το μήνα Ιούλιο. 119

106 r*q = m 3 /d Q-w = m 3 /d Q=59360 m 3 /d AS1 AS2 AS3 AS4 AS5 AS6 AS7 FS m 3 /d m 3 /d AS8 R*Q = m 3 /d W=1708m 3 /d Σχήμα 4.3: Σχεδιάγραμμα για τον μήνα Ιούλιο 120

107 Πίνακας 4.9: Αποτελέσματα μαθηματικής προσομοίωσης για τα λειτουργικά δεδομένα το μήνα Ιούλιο Παράμετρος Μονάδες Τιμές MLSS D1 mg/l 3000 D2/3 mg/l 3030 A1 mg/l 3061 A2 mg/l 3059 A3 mg/l 3056 A4 mg/l 3053 A5 mg/l 3052 Κανάλι mg/l 6601 NH 4 -N D1 mg/l 32,3 D2/3 mg/l 13,8 A1 mg/l 6 A2 mg/l 1,7 A3 mg/l 0,4 A4 mg/l 0,1 A5 mg/l 0,1 Κανάλι mg/l 2 NO 3 -N D1 mg/l 0 D2/3 mg/l 0 A1 mg/l 3,8 A2 mg/l 7,9 A3 mg/l 9,3 A4 mg/l 9,7 A5 mg/l 9,7 Κανάλι mg/l 2,7 NUR D1 mgno 3 -N/gVSS hr 1,3 D2/3 mgno 3 -N/gVSS hr 2,7 AUR A1 mgnh 4 -N/gVSS hr 4,35 A2 mgnh 4 -N/gVSS hr 3,7 A3 mgnh 4 -N/gVSS hr 2,1 A4 mgnh 4 -N/gVSS hr 0,8 OUR A1 kg O 2 /d/ba A2 kg O 2 /d/ba 6868 A3 kg O 2 /d/ba 2622 A4 kg O 2 /d/ba 1438 Σύνολο kg O 2 /d/ba N/m 3 hr Χαρακτηριστικά εξόδου CODολ. mg/l 65 CODδιαλ. mg/l 54 SS mg/l 11,3 Ολικό-Ν mg/l 11 ΤΚΝ mg/l 1,3 ΝΗ 4 -Ν mg/l 0,1 ΝΟ 3 -Ν mg/l 9,7 Παραγόμενη λάσπη kg/day/βα θc days 6,3 121

108 Στο πίνακα 4.10 παρατίθενται τα φορτία εξόδου της βιολογικής βαθμίδας με βάση τα λειτουργικά αποτελέσματα του Ιουλίου 2008, τα οποία προέρχονται από μετρήσεις που έλαβαν χώρα στο ΚΕΛΨ από το προσωπικό λειτουργίας. Πίνακας 4.10: Λειτουργικά δεδομένα για το μήνα Ιούλιο Παράμετρος Μονάδες Τιμές MLSS mg/l 3200 OUR N/m 3 hr Χαρακτηριστικά εξόδου CODολ. SS Ολικό-Ν ΤΚΝ ΝΗ 4 -Ν ΝΟ 3 -Ν mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l ,4 6,7 3,4 1,6 Παραγόμενη λάσπη kg/day/βα θc days 6,7 Τα συμπεράσματα που προκύπτουν από την σύγκριση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης μ αυτά που λήφθηκαν από το προσωπικό λειτουργίας του ΚΕΛΨ για το μήνα Ιούλιο είναι τα ακόλουθα : Δεν διαπιστώθηκαν ουσιαστικές διαφορές ως προς το οργανικό φορτίο (COD) και το φορτίο στερεών (ΤSS εκροής ) στην έξοδο της βιολογικής βαθμίδας. Παρατηρήθηκε παρόμοιος χρόνος παραμονής στερεών Θ c, καθώς και σχετικά μικρή απόκλιση ως προς τη ποσότητα της παραγόμενης λάσπης της τάξεως του 9,2%. Ο μέσος ρυθμός νιτροποίησης που προέκυψε από τη προσομοίωση (3,1 gn/kgvss*h) είναι σχετικά κοντά στο μέσο ρυθμό νιτροποίησης που υπολογίστηκε για τον μήνα Ιούλιο από την ανάλυση των λειτουργικών δεδομένων (3,2 gn/kgvss*h). Σε ότι αφορά τη νιτροποίηση τα αποτελέσματα δε κρίνονται ικανοποιητικά. Σημειώθηκαν σημαντικές αποκλίσεις ως προς την κατανομή των ανόργανων κλασμάτων του αζώτου. Στη μαθηματική προσομοίωση με λιγότερη ποσότητα αέρα από την προσφερόμενη επιτεύχθηκε καλύτερη νιτροποίηση, κάτι που δεν ήταν αναμενόμενο. Πρέπει να σημειωθεί όμως ότι η απόκλιση στη ποσότητα του αέρα που προσφέρεται στο 122

109 βιοαντιδραστήρα μπορεί να οφείλεται στη διαφορετική θερμοκρασία που χρησιμοποιήθηκε στο μοντέλο το μήνα Ιούλιο (25 ο C αντί για 28 ο C-λόγω αδυναμίας του μοντέλου). Φαίνεται πιθανόν είτε ότι ο συντελεστής θερμοκρασιακής εξάρτησης που χρησιμοποιήθηκε στο μοντέλο είναι αρκετά ευνοϊκός, είτε ότι εντός κάποιων αερόβιων διαμερισμάτων διαμορφώνονται στην πραγματικότητα ανοξικές ζώνες (πιθανόν λόγω περιορισμένης συγκέντρωσης διαλυμένου οξυγόνου), οι οποίες έχουν ως αποτέλεσμα περιορισμό της νιτροποίησης και μεγαλύτερη απονιτροποίηση. Αυτό ενισχύεται και από το γεγονός ότι η αδυναμία πλήρους νιτροποίησης που εμφανίζεται στα λειτουργικά δεδομένα για το μήνα Ιούλιο, όπου η μέση θερμοκρασία είναι της τάξεως των 28 ο C δε μπορεί να εξηγηθεί, εκτός και αν οφείλεται στην είσοδο τοξικών ρύπων (δεδομένου ότι το φορτίο ολικόυ αζώτου ΤΝ τον Ιούλιο είναι της τάξεως του φορτίου σχεδιασμού). A.1.3 Επαλήθευση του μοντέλου για τα δεδομένα λειτουργίας το Φεβρουάριο (15 ο C) Αφού διαπιστώθηκε ότι η προσομοίωση λειτουργεί ικανοποιητικά υπό την παροχή σχεδιασμού στους 19 και 25 ο C, η επόμενη προσομοίωση εφαρμόστηκε για την ελάχιστη μέση μηνιαία θερμοκρασία που αναπτύσσεται στο ΚΕΛΨ (Φεβρουάριο -15 ο C). Η ποσοτική και ποιοτική σύσταση των λυμάτων που παρατίθενται στον πίνακα 4.11 χρησιμοποιείται για όλες τις προσομοιώσεις, οι οποίες εφαρμόστηκαν για τον μήνα Φεβρουάριο. 123

110 Πίνακας 4.11: Λειτουργικά χαρακτηριστικά μοντέλου προσομοίωσης για το Φεβρουάριο Παράμετρος Μέγεθος Μονάδες Q m³/d BOD 387 mg/l COD 853 mg/l TSS 438 mg/l VSS 347 mg/l NH4-N 51 mg/l TKNd 59 mg/l TN 69 mg/l w 2191 m³/d RAS 100% R EA 2 αντλίες * Si 9% Xi 6% Ss 20% Xs 65% Tλυμ 15 ο C * αντλία εσωτερικής ανακυκλοφορίας έχει δυναμικότητα 1m 3 /sec ή m 3 /d Για τη προσομοίωση που πραγματοποιήθηκε για το μήνα Φεβρουάριο, χρησιμοποιήθηκε το σετ των στοιχειομετρικών και κινητικών παραμέτρων μέσω του οποίου έγινε η αρχική ρύθμιση του μοντέλου. Στο μοντέλο χρησιμοποιήθηκαν τα φορτία εισόδου της βιολογικής βαθμίδας με βάση τα λειτουργικά αποτελέσματα του Φεβρουαρίου 2008, τα οποία προέρχονται από μετρήσεις που έλαβαν χώρα στο ΚΕΛΨ από το προσωπικό λειτουργίας. Το διαλυμένο οξυγόνο και στα 4 διαμερίσματα του αερόβιου αντιδραστήρα (A1,A2,A3,A4) ορίστηκε 2 mg/l. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται το διάγραμμα ροής για την παροχή σχεδιασμού Q = m³/day το μήνα Φεβρουάριο. 124

111 r*q = m 3 /d Q-w = m 3 /d Q=73037 m 3 /d AS1 AS2 AS3 AS4 AS5 AS6 AS7 FS m 3 /d m 3 /d AS8 R*Q = m 3 /d W=2191m 3 /d Σχήμα 4.4: Σχεδιάγραμμα για τον μήνα Φεβρουάριο 125

112 Πίνακας 4.12: Αποτελέσματα μαθηματικής προσομοίωσης για τα δεδομένα λειτουργίας το μήνα Φεβρουάριο Παράμετρος Μονάδες Τιμές MLSS D1 D2/3 A1 A2 A3 A4 A5 Κανάλι mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l NH 4 -N D1 D2/3 A1 A2 A3 A4 A5 Κανάλι NO 3 -N D1 D2/3 A1 A2 A3 A4 A5 Κανάλι Χαρακτηριστικά εξόδου CODολ. CODδιαλ. SS ΝΗ 4 -Ν ΝΟ 3 -Ν mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l 57,8 55,1 45,8 45,0 45,2 45,5 45,6 50,6 0,0 0,0 0,0 0,0 0,1 0,1 0,1 0, ,5 11,2 45,6 0,4 Παραγώμενη λάσπη kg/day/βα θc days 5,7 126

113 Στο πίνακα 4.13 παρατίθενται τα φορτία εξόδου της βιολογικής βαθμίδας με βάση τα λειτουργικά αποτελέσματα του Φεβρουαρίου 2008, τα οποία προέρχονται από μετρήσεις που έλαβαν χώρα στο ΚΕΛΨ από το προσωπικό λειτουργίας. Πίνακας 4.13: Λειτουργικά δεδομένα για το μήνα Φεβρουάριο Παράμετρος Μονάδες Τιμές OUR N/m 3 hr Χαρακτηριστικά εξόδου CODολ. SS Ολικό-Ν ΤΚΝ ΝΗ 4 -Ν ΝΟ 3 -Ν mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l , ,8 Παραγόμενη λάσπη kg/day/βα θc days 5,9 Από τον πίνακα 4.12 παρατηρείται ότι δεν πραγματοποιείται νιτροποίηση στις συνθήκες αυτές το μήνα Φεβρουάριο. Αυτό έρχεται σε πλήρη αντίθεση με τα αποτελέσματα που λήφθηκαν από το προσωπικό λειτουργίας του ΚΕΛΨ για αυτό το μήνα (πίνακας 4.13). Επομένως, βάσει των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης Α.1.3 προέκυψε η αναγκαιότητα για επαναρύθμιση του μοντέλου. A.2.1 Επαναρύθμιση του μοντέλου Με βάση τα ανωτέρω, ουσιαστικά η επαναρύθμιση του μοντέλου πραγματοποιήθηκε μόνο σ ότι αφορά τη νιτροποίηση. Δεδομένου ότι η νιτροποίηση εξαρτάται κυρίως από την επιλογή των τιμών του μ Νmax και του b N, αλλά και των συγκεντρώσεων του διαλυμένου οξυγόνου πραγματοποιήθηκε μια σειρά εφαρμογών του μοντέλου για διάφορες τιμές του μ Νmax μεταξύ 0,68-0,8 d -1 (οι οποίες πρακτικά αντιστοιχούν σε θεωρούμενη αναχαίτιση της τάξεως του 0-15%),του b N μεταξύ 0,1 0,15d -1 και της συγκέντρωσης του διαλυμένου οξυγόνου DO 1-3,5 mg/l. 127

114 Για διαλυμένο Ο 2 στα τέσσερα αερόβια διαμερίσματα του βιοαντιδραστήρα ίσο με 2 mg/l προέκυψε το διάγραμμα 4.5. Διάγραμμα 4.5: Προσδιορισμός μ Νmax και b Ν για διαλυμένο Ο 2 = 2 mg/l. Από το διάγραμμα 4.2 παρατηρείται ότι επιτυγχάνονται συγκεντρώσεις στην εκροή ανάλογες με αυτές των λειτουργικών δεδομένων της εγκατάστασης (μαύρη διακεκομμένη γραμμή) για τα κατάλληλα ζεύγη τιμών μ Νmax = 0,73 0,78 d -1 και b Ν = 0,1 0,12 d -1. Για διαλυμένο Ο 2 2 mg/l ένα ζεύγος τιμών που ικανοποιεί το όριο για τα αμμωνιακά στην έξοδο είναι το μ Νmax = 0,78 d -1 και b Ν = 0,12 d -1. Για διαλυμένο Ο 2 στα τέσσερα αερόβια διαμερίσματα του βιοαντιδραστήρα ίσο με 2,5 mg/l προέκυψε το διάγραμμα 4.6. Διάγραμμα 4.6: Προσδιορισμός μ Νmax και b Ν για διαλυμένο Ο 2 = 2,5 mg/l. 128