ΔΠΜΣ ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ

Transcript

1 ΔΠΜΣ ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΜΑΘΗΜΑ: ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΛΥΜΑΤΩΝ ΜΙΚΡΗΣ ΚΛΙΜΑΚΑΣ ΦΥΣΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΔΙΑΘΕΣΗ ΛΥΜΑΤΩΝ ΣΤΟ ΕΔΑΦΟΣ

2 Κατηγορίες φυσικών συστημάτων επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Συστήματα εδαφικής εφαρμογής Υγροβιότοποι Τεχνητές λίμνες

3 Μέθοδοι εφαρμογής λυμάτων στο έδαφος Βραδεία διήθηση κατηγορίας Ι Slow rate Άρδευση κατηγορίας ΙΙ Surface irrigation Ταχεία διήθηση Rapid infiltration Επιφανειακή ροή Overland flow

4 Βραδεία διήθηση

5 Λεκάνες ταχείας διήθησης

6 Επιφανειακή απορροή Λύματα Φυτική Βλάστηση Εξατμισοδιαπνοή Επιφανειακή ροή Συλλογή απορροής Κλίση 2-8% Διήθηση

7 Συστήματα βραδείας διήθησης (Slow Slow-Rate Systems) Κατηγορία Ι Κύριος στόχος: επεξεργασία λυμάτων Απαιτούμενη επιφάνεια υπολογίζεται Από τη διαπερατότητα του εδάφους Η οργανική φόρτιση ή η φόρτιση αζώτου Τυπικές τιμές στρέμματα/1000 m 3 Κατηγορία ΙΙ Κύριος στόχος: Άρδευση Απαιτούμενη επιφάνεια υπολογίζεται Από τις ανάγκες των φυτών για νερό Απαιτεί μεγαλύτερη έκταση Τυπικές τιμές στρέμματα /1000 m 3

8 Συστήματα βραδείας διήθησης Εξατμισοδιαπνοή Προεπεξεργασμένα λύματα Υδραυλική ροή Διήθηση Κατάκλιση Τεχνητή βροχή

9 Μηχανισμοί απομάκρυνσης Ρύπος Αιωρούμενα στερεά Οργανικός άνθρακας Μηχανισμοί Διήθηση, Παγίδευση, Βιοαποδόμηση (συστήματα υποεπιφανειακής ροής) Καθίζηση, Διήθηση, Παγίδευση, Βιοαποδόμηση (συστήματα επιφανειακής ροής) Αερόβια-Αναερόβια Βιοαποδόμηση Άζωτο Καθίζηση, Φίλτρανση, Αμμωνιοποίηση (Οργανικό Ν) Προσρόφηση, Νιτροποίηση, Πτητικοποίηση (ΝΗ 4 -Ν) Φυτοαπορρόφηση η (απομάκρυνση μ ρ η φυτικής βλάστησης), Απονιτροποίηση (ΝΟ 3 -Ν) Φώσφορος Μέταλλα Προσρόφηση, Χημική Κατακρήμνιση, Φυτοαπορρόφηση (βραδεία διήθηση) Προσρόφηση, Ιοντοανταλλαγή, Κατακρήμνιση, Πρόσφυση Παθογόνα UV ακτινοβολία, Προσρόφηση, Αφυδάτωση, Θάνατος, Καθίζηση, Διήθηση,

10 Χημικές ιδιότητες εδαφών σχετικά με την καταλληλότητά τους για εφαρμογή συστημάτων βραδείας διήθησης Ιδιότητα εδάφους Περιγραφή ph <4.2 Ακατάλληλο λ για τα περισσότερα φυτά Κατάλληλο για ανθεκτικά φυτά Κατάλληλο > Ακατάλληλο λ CEC, meq/100 g εδάφους 1-10 Αμμώδη εδάφη (μικρή απορροφητικότητα) Αμμοαργιλώδη (μέση) >20 Αργιλώδη και οργανικά (μεγάλη) Ανταλλάξιμα ξμ κατιόντα, %CEC Επιθυμητές τιμές μς Νάτριο <5 Ασβέστιο Κάλλιο 5-10 Αγωγιμότητα, mmhos/cm <2 Χωρίς προβλήματα 2-4 Παρεμπόδιση ευαίσθητων φυτών 4-8 Σημαντική παρεμπόδιση 8-16 Ακατάλληλο Πηγή: U SEPA

11 Κατηγορίες εδαφών ως προς τη διαπερατότητα (για κορεσμένα εδάφη) Διαπερατότητα mm/h Κατηγορία 1.5 Πολύ αργή Αργή 5-15 Μετρίως αργή Μέτρια Προς ταχεία Ταχεία >500 Πολύ υψηλή Πηγή: USEPA 1981

12 Κριτήρια επιλογής εδαφών κατάλληλων για εφαρμογή συστημάτων βραδείας διήθησης (βαθμολόγηση κριτηρίων) Χαρακτηριστικό Αγροτικές εκτάσεις Δάση Βάθος εδάφους, m ,3 06 0,6 Απορρίπτεται 0,6-1,5 1,5-3 >3 Βάθος υπογείων νερών, m <1,2 1, Απορρίπτεται >3 6 6 Διαπερατότητα, mm/h <1, ,5-5,05, >500 Πηγή: USEPA

13 Κριτήρια επιλογής εδαφών κατάλληλων για εφαρμογή συστημάτων βραδείας διήθησης ης (βαθμολόγηση μ η κριτηρίων) - συνέχεια Κλίση εδάφους, % >35 Χρήσεις γης (υπάρχουσες ή προγραμματισμένες) Βιομηχανική/εμπορική Οικιστική πυκνής δόμησης Οικιστική αραιής δόμησης Δασώδης Γεωργική/ ανοιχτός χώρος Συνολικός αριθμός πόντων Χαμηλός Μέτριος Απορρίπτεται Απορρίπτεται Υψηλός < < Πηγή: USEPA 1981

14 Βραδεία διήθηση Φορτίσεις Βαθμός επεξεργασίας Παράμετρος Φόρτιση Αρχική Τελική Βαθμός Kg/ha/d συγκέντρωση συγκέντρωση απόδοσης mg/l mg/l % BOD >98 N 1,2-1, P 5-10 <0.2

15 Εκτίμηση η του βαθμού απομάκρυνσης φωσφόρου φ σε συστήματα βραδείας διήθησης P x = P e -kt k = d -1 x: απόσταση t: χρόνος παραμονής (=0,4x/k x S) k x : υδραυλική αγωγιμότητα στην διεύθυνση x (m/d) x ρ ή γ γ μ η η η ( ) S: υδραυλική κλίση (S=1 για κατακόρυφη ροή, S=H/Lγια οριζόντια ροή)

16 Σχεδιασμός συστήματος βραδείας διήθησης Επιλογή φυτικής βλάστησης Προσδιορισμός απαιτούμενου βαθμού προεπεξεργασίας Επιλογή μεθόδου διανομής Επιλογή υδραυλικού φορτίου Προσδιορισμός απαιτούμενης έκτασης (έκταση εφαρμογής, αποθήκευση, ολική απαιτούμενη έκταση συστήματος)

17 Απαιτήσεις αζώτου διάφορων καλλιεργειών Καλλιέργεια kg/ha/y Χορτάρι Βρώμη 140 Καλαμπόκι Μπαμπάκι Πατάτες 220 Σόγια 250 Στάρι 150 Δάση Λεύκες 300 Πηγή: USEPA 1981

18 Σχεδιασμός συστημάτων βραδείας διήθησης Κατηγορία Ι - Υδραυλική φόρτιση L W =ET P+I Lw = υδραυλική φόρτιση, mm/μήνα ΕΤ = εξατμισοδιαπνοή, mm/μήνα P = βροχόπτωση, mm/μήνα Ι = διήθηση, mm/μήνα

19 Συσχέτιση διαπερατότητας εδάφους με υδραυλικές φορτίσεις συστημάτων βραδείας και ταχείας διήθησης

20 Παράδειγμα υπολογισμού (cm/ cm/μήνα) Μήνας ΕΤ P ET-P I Λύματα Ιαν 23 2,3 3-0, ,1 44 4,4 Φεβ 5,1 2,8 2,3 12,6 14,9 Μαρ 9,7 2,8 6,9 16,3 23,2 Απρ 13,2 2 11, ,2 Μια 17,7 0,5 17, ,2 Ιουν 21,8 0,3 21, ,5 Ιουλ 23,9-23, ,9 Αυγ 22,1-22, ,2 Σεπ 14,7 0,3 14, ,4 Οκτ 10,9 08 0,8 10, ,1 Νοεμ 5,1 1,3 3, ,8 Δεκ 25 2,5 25 2,5 00 0, ,11 Ετήσια ,3 132, ,9

21 Σχεδιασμός συστημάτων βραδείας διήθησης ης Κατηγορία ΙI - Υδραυλική φόρτιση ET L w = 1+ P LR 100 E Lw = υδραυλική φόρτιση, cm/μήνα ΕΤ = εξατμισοδιαπνοή, cm/μήνα P = βροχόπτωση, cm/μήνα Ι = διήθηση, cm/μήνα LR = Συμπλήρωμα σε καθαρό νερό, 10-15% 15% Ε = Απόδοση άρδευσης = 70-80%

22 Βραδεία διήθηση Κατηγορία Ι Φόρτιση αζώτου, L n, kg/ha/έτος L n = U + f L + N I n i 10 U = ζήτηση από φυτά, kg/ha/έτος f = ποσοστό αζώτου που χάνεται λόγω νιτροποίησης/απονιτροποίησης, πτητικοποίησης και εδαφικής αποθήκευσης Ν i = συγκέντρωση αζώτου στο διήθημα (mg/l) Ι = διήθηση (m/ m/έτος) Τύπος λυμάτων Ζεστό κλίμα Κρύο κλίμα Ισχυρά 0,8 0,5 1 ο βάθμια 0,5 0,25 2 ο βάθμια 0,25 0,15-0,2 0,2 3 ο βάθμια 0,15 0,10 Πηγή: Reed & Crites 1984

23 Βραδεία διήθηση η Κατηγορία Ι L w n = N i N ( P ET) + 10 ( ) w 1 f N i U L wn = υδραυλική φόρτιση με βάση το άζωτο,, cm/έτοςς Ν w = συγκέντρωση αζώτου στα λύματα, mg/l f = ποσοστό αζώτου που χάνεται Ν i = συγκέντρωση αζώτου στο διήθημα, mg/l U = ζήτηση από φυτά, kg/ha/έτος

24 Παράδειγμα υπολογισμού - Δεδομένα Δεδομένα Ν w = συγκέντρωση αζώτου στα λύματα = 25 mg/l Ν i = συγκέντρωση αζώτου στο διήθημα = 10 mg/l f = ποσοστό αζώτου που χάνεται λόγω απονιτροποίησης = 0,20 U = ζήτηση από φυτά = 336 kg/ha/έτος /έτος Τα ΕΤ και P λαμβάνονται από το προηγούμενο παράδειγμα Σημείωση Η ζήτηση αζώτου καταμερίζεται στους μήνες κατ αναλογία προς την εξατμισοδοαπνοή

25 Παράδειγμα υπολογισμού (cm/μήνα) Μήνας P-ET cm U Kg/ha L w(n) L w(p) Παροχή σχεδιασμού Ιαν 0,7 5,2 5,9 4,4 4,4 Φεβ -2,3 11,5 9,2 14,9 9,2 Μαρ -6,9 21, ,22 15 Απρ -11,2 29,8 18,6 29,2 18,6 Μαι -17,2 39,99 22,6 35,2 22,6 Ιουν -21,5 49,2 27,6 39,5 27,6 Ιουλ -23,9 53, ,9 30 Αυγ -22,1 49,8 27,9 40,2 27,9 Σεπ -14,4 33,1 18,7 32,4 18,7 Οκτ -10,1 24,6 14,5 28,1 14,5 Νοεμ -3,8 11,5 7,7 20,8 7,7 Δεκ -0, ,6 56 5,6 14, ,6 Ετήσια -128,1 336,0 203,3 323,9 201,8

26 Υπολογισμός απαιτούμενου όγκου αποθήκευσης προεπεξεργασμένων λυμάτων Όγ γκος λυμ μάτων (m 3 ) V αποθ =V1 + V2 V2 V Μήνας (1 η Ιανουαρίου =0) Είσοδος Έξοδος

27 Ταχεία διήθηση Υδραυλική ροή στον υπόγειο υδροφορέα Υδραυλική ροή σε επιφανειακά ύδατα

28 Ταχεία διήθηση Ανάκτηση η με αποστράγγιση Ανάκτηση η με πηγάδια

29 Ταχεία διήθηση η - Φορτίσεις Παράμετρος Φόρτιση Βαθμός Σχόλια Kg/ha/d /d απόδοσης % BOD Συνήθως παρατηρούνται οι μεγαλύτερες τιμές Άζωτο Εξαρτάται από την υδραυλική φόρτιση και τον κύκλο εφαρμογής Φώσφορος Η απόδοση ευθέως ανάλογη της απόστασης Κολοβακτηρίδια logs Απόδοση ανάλογη της σύστασης του εδάφους και της απόστασης Αιωρούμενα στερεά

30 Σχεδιασμός συστημάτων ταχείας διήθησης Υδραυλική φόρτιση L W =fi (m/έτος) f = συντελεστής εφαρμογής (1-10%) 10%) [εξαρτάται από τη μέθοδο που ακολουθήθηκε για τον προσδιορισμό της ταχύτητας διήθησης, την μεταβλητότητα των αποτελεσμάτων, τα χαρακτηριστικά των λυμάτων κ.α.] Ι = ρυθμός διήθησης ης λεκάνης (mm/h) Υδραυλική φόρτιση βάσει Ν L N =10L w C/D (Κg/ha/d) C = συγκέντρωση Ν στα λύματα D=ημέρες λειτουργίας L Ν <67Κg/ha/d L BOD < 336 Κg/ha/d

31 Ταχεία διήθηση η - Κύκλοι εφαρμογής Στόχος Εποχή Εφαρμογή, d Ανάπαυση, d Μεγιστοποίηση υδραυλικού φορτίου Καλοκαίρι Χειμώνας Μεγιστοποίηση νιτροποίησης Καλοκαίρι Χειμώνας Μεγιστοποίηση Καλοκαίρι απονιτροποίησης Χειμώνας Πηγή: USEPA 1981

32 Ταχεία διήθηση Ελάχιστος απαιτούμενος αριθμός λεκανών δήθ διήθησης Εφαρμογή Ανάπαυση Min # Εφαρμογή Ανάπαυση Min # (d) (d) λεκανών (d) (d) λεκανών διήθησης διήθησης Πηγή: USEPA 1981

33 Συστήματα ταχείας διήθησης - Κατασκευαστικά στοιχεία Έκταση λεκανών ταχείας διήθησης 0,2-0,8 ha (για μικρές εγκαταστάσεις) Ύψος αναχώματος 1-1,31,3 m Μήκος:πλάτος 2:1 3:1

34 Συστήματα επιφανειακής ροής

35 Συστήματα επιφανειακής ροής βασικές παράμετροι ρ σχεδιασμού Παράμετρος Επίπεδο προεπεξεργασίας Εσχάρωση Πρωτ. Επεξ. Αερ. λίμνες Λίμνες οξείδωσης Δευτ. Επεξ. Ταχ. εφαρμογής (L/m/min) 3-7,5 3-7,5 < Μήκος κλίσης (m) Περίοδος εφαρμογής (h) Περίοδος αργίας (h)

36 Συστήματα επιφανειακής ροής Σχεδιασμός Υδραυλική φόρτιση L W = 60 q P/Z (m/d) q = ταχύτητα εφαρμογής (m 3 /m/min) P = περίοδος εφαρμογής (h/d) Z = μήκος κλίσης (m)

37 Σύγκριση απαιτήσεων τριών μεθόδων Παράμετρος ρ Βραδεία Ταχεία Επιφανειακή Προ-επεξεργασία Υδραυλική φόρτιση, m/έτος Βιολογική επεξεργασία 1,5 (0,6-5) Πρωτοβάθμια καθίζηση 30 (6-100) Προκαταρκτική επεξεργασία 9 (3-20) Επιφάνεια,, στρ. για m 3 /d Τρόπος εφαρμογής Τελικός αποδέκτης λυμάτων καταιονισμός ή στάγδην σάγδη Εξατμισοδιαπνοή και διήθηση Επιφανειακή Κυρίως διήθηση Επιφανειακή Απορροή Εξατμισοδιαπνοή διήθηση Φύτευση Απαραίτητη Σπάνια Απαραίτητη

38 Απαιτούμενα χαρακτηριστικά εδάφους για τις τρεις μεθόδους εδαφικής επεξεργασίας διάθεσης Παράμετρος Βραδεία Ταχεία Επιφανειακή ροή Βάθος εδάφους >0,6 m >1,5 m >0.15 m Διαπερατότητα Χαμηλή ως μέτρια Υψηλή Χαμηλή Βάθος υπογ.ορίζοντα 1,5-500 mm/h >50 mm/h <5 mm/h 1 m 3 m - Κλίση <20% <10% 2-8% Περιορισμοί λόγω κλίματος Αποθήκευση τους υγρούς μήνες Καμμία Αποθήκευση τους κρύους μήνες