1. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ MBR

1. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ MBR 1.1 Εισαγωγή Οι µεµβράνες µπορούν να τοποθετηθούν στις Εγκαταστάσεις Επεξεργασίας Λυµάτων (ΕΕΛ) είτε ως στάδιο τριτοβάθµιας επεξεργασίας µε σκοπό την περαιτέρω επεξεργασία της εκροής των λυµάτων από τη βιολογική µονάδα επεξεργασίας είτε να ενσωµατωθούν στη δευτεροβάθµια επεξεργασία τους. Το σύστηµα µε τις µεµβράνες τοποθετηµένες στην δευτεροβάθµια µονάδα επεξεργασίας λυµάτων ονοµάζεται Βιοαντιδραστήρας Μεµβράνης και είναι ευρέως γνωστό µε τον όρο (MBR-Membrane Biological Reactor). Σύµφωνα µε τους Stephenson et al., 2000, ως µεµβράνη ορίζεται ένα υλικό µέσα από το οποίο µια ουσία µπορεί να περάσει ευκολότερα από µια άλλη, αποτελεί δηλαδή ένα µέσο διαχωρισµού. Η φιλοσοφία των συστηµάτων MBR βασίζεται στη χρησιµοποίηση ενός βιολογικού αντιδραστήρα και της διήθησης διαµέσου των µεµβρανών ως ένα ενιαίο σύστηµα για τη δευτεροβάθµια επεξεργασία των λυµάτων, αντί του ενιαίου συστήµατος του βιολογικού αντιδραστήρα και της δεξαµενής τελικής καθίζησης που χρησιµοποιείται στο κλασικό σύστηµα της ενεργού ιλύος (ΕΙ) (Metcalf & Eddy, 2003). Οι βιολογικές διεργασίες στα λύµατα πραγµατοποιούνται όπως και σε ένα συµβατικό σύστηµα βιολογικού καθαρισµού, αλλά ο διαχωρισµός της τελικής εκροής από τα στερεά πραγµατοποιείται µε τη διεργασία της διήθησης του υγρού διαµέσου των µεµβρανών. Η αρχή λειτουργίας των συστηµάτων MBR είναι παρόµοια µε αυτή των συµβατικών συστηµάτων ΕΙ. Η σηµαντικότερη και πλεονεκτικότερη όµως διαφορά µεταξύ των συστηµάτων αυτών είναι ότι στα συστήµατα ΜΒR καταργείται η ανάγκη χρησιµοποίησης δεξαµενής τελικής καθίζησης µε αποτέλεσµα την εξάλειψη προβληµάτων όπως είναι η κακή καθιζησιµότητα της ιλύος και τα συνεπαγόµενα αυτής προβλήµατα που συνήθως αντιµετωπίζουν τα συµβατικά συστήµατα ΕΙ (Van der Roest et al., 2002). Αυτό συµβαίνει γιατί η µεµβράνη δρα ως εµπόδιο που κατακρατά εντελώς 1

τη βιοµάζα και απαγορεύει την διέλευση των αιωρούµενων στερεών (Jiang et al., 2005). Επιτυγχάνεται µε αυτό τον τρόπο εκροή υψηλής ποιότητας. Αν και η παρούσα µεταπτυχιακή εργασία ασχολείται µε την επεξεργασία αστικών λυµάτων µε σύστηµα MBR, τα συστήµατα αυτά έχουν χρησιµοποιηθεί και για την επεξεργασία διαφόρων άλλων ειδών υγρών αποβλήτων όπως τα βιοµηχανικά (κυρίως τα υγρά απόβλητα των βιοµηχανιών τροφίµων και ποτών), τα νοσοκοµειακά καθώς και για την επεξεργασία στραγγιδίων. Το παρακάτω διάγραµµα ( ιάγραµµα 1.1) δείχνει την παγκόσµια κατανοµή των MBR ανάλογα µε το είδος των λυµάτων που επεξεργάζονται (Stephenson et al., 2000). ΠΑΚΟΣΜΙΑ ΚΑΤΑΝΟΜΗ MBR ΑΝΑΛΟΓΑ ΜΕ ΤΟ ΕΙ ΟΣ ΤΩΝ ΛΥΜΑΤΩΝ ΠΟΥ ΕΠΕΞΕΡΓΑΖΟΝΤΑΙ 30 25 20 15 10 5 0 Βιοµηχανικά Ενδοκτιριακά Οικιακά ηµοτικά Στραγγίδια ΧΥΤΑ ιάγραµµα 1.1: Παγκόσµια Κατανοµή των Συστηµάτων MBR Ανάλογα µε το Είδος των προς Επεξεργασία Λυµάτων (Stephenson et al., 2000) 1.2 Ιστορική Aναδροµή Σύµφωνα µε τους Stephenson et al., 2000, η πρώτη αναφορά για την αντικατάσταση της δεξαµενής τελικής καθίζησης µε σύστηµα µεµβρανών έγινε από τους Smith et al. το 1969, οι οποίοι δηµιούργησαν και εξέτασαν ένα σύστηµα που συνδύαζε ένα συµβατικό 2

σύστηµα ΕΙ και εξωτερική διήθηση. Αναφέρεται επίσης ότι το 1970 οι Hardt et al. διερεύνησαν το διαχωρισµό της ενεργού ιλύος µε µεµβράνες υπερδιήθησης. H τεχνολογία της χρησιµοποίησης µεµβρανών σε βιολογικούς αντιδραστήρες διείσδυσε πρώτα στην Ιαπωνία στα τέλη της δεκαετίας του 1970. Μέχρι το 1993, υπήρχαν 39 συστήµατα MBR τα οποία χρησιµοποιούνταν για την επεξεργασία των βιοµηχανικών και αστικών λυµάτων (Μαλαµής, 2005). Στα συστήµατα αυτά, οι µεµβράνες ήταν τοποθετηµένες εξωτερικά από τη δεξαµενή αερισµού γι αυτό και είναι γνωστά ως εξωτερικά συστήµατα MBR (External MBR). Στα τέλη της δεκαετίας του 1980 η Καναδική εταιρεία Zenon Environmental Inc. άρχισε να δραστηριοποιείται στον τοµέα των MBR µε σκοπό την επεξεργασία βιοµηχανικών λυµάτων. To πρώτο εµπορικά επιτυχηµένο σύστηµα MBR της Zenon κατασκευάστηκε το 1982 και ονοµάστηκε ZenoGem (Stephenson et al., 2000). Η καινοτοµία του συστήµατος αυτού ήταν ότι οι µονάδες των µεµβρανών ήταν τοποθετηµένες εντός της δεξαενής αερισµού και το σύστηµα αυτό είναι γνωστό ως εµβυθιζόµενο ΜΒR (Immersed MBR), (Metcalf & Eddy, 2003). Το 1989 η Ιαπωνική κυβέρνηση συνεργάστηκε µε αρκετές µεγάλες εταιρείες µε σκοπό να επενδύσει σηµαντικά σε νέες τεχνολογίες όπως είναι τα συστήµατα MBR και να τα εγκαταστήσει κυρίως σε µεγάλα κτιριακά συγκροτήµατα µε στόχο την επαναχρησιµοποίηση των λυµάτων (Stephenson et al., 2000). Μία από τις εταιρείες που συµµετείχε σε αυτή την προσπάθεια ήταν η Kubota, η οποία έχει εξελιχθεί σε µία από τις µεγαλύτερες κατασκευάστριες εταιρείες συστηµάτων MBR στον κόσµο. Τα πρώτα ολοκληρωµένα συστήµατα MBR εµφανίστηκαν στη Β. Αµερική στα τέλη της δεκαετίας του 1970 και στην Ιαπωνία στις αρχές της δεκαετίας του 1980. Όµως οι µονάδες αυτές επεξεργάζονταν λύµατα µε πολύ µικρές παροχές. Η εγκατάσταση και λειτουργία συστηµάτων MBR στη Ευρώπη ξεκίνησε µετά τα µέσα της δεκαετίας του 1990. Έως το 2002 είχαν κατασκευασθεί και λειτουργούσαν πάνω από 1000 µονάδες 3

ΜΒR σε όλο τον κόσµο, ενώ πολλές άλλες έχουν κατασκευασθεί µέχρι σήµερα. Η συντριπτική πλειοψηφία (66%) ολοκληρωµένων εν λειτουργία συστηµάτων MBR βρίσκεται στην Ιαπωνία. Οι υπόλοιπες µονάδες βρίσκονται στη Βόρεια Αµερική (Καναδά και ΗΠΑ) και στην Ευρώπη (Stephenson et al., 2000). Στην Ευρώπη, την τελευταία δεκαετία, η ανάπτυξη συστηµάτων MBR έχει προοδεύσει σηµαντικά από µικρά πιλοτικά συστήµατα σε πλήρους κλίµακας εγκαταστάσεις. Η συγκεκριµένη τεχνολογία χρησιµοποιείται στην πράξη σε χώρες όπως η Γερµανία, η Γαλλία, η Ιταλία, η Ισπανία και η Μεγάλη Βρετανία. Το εκέµβριο του 2003 άρχισε να λειτουργεί η µεγαλύτερη µονάδα MBR στον κόσµο, στο Κάαρστ της Γερµανίας. Αυτή η ΕΕΛ είναι γνωστή ως Nordkanal και µπορεί να εξυπηρετήσει έναν ισοδύναµο πληθυσµό περίπου 80,000 (Μαλαµής, 2005). 1.3 Αρχή Λειτουργίας Συστήµατος MBR Το κλασικό σύστηµα MBR είναι αυτό που επιτυγχάνει διαχωρισµό του υγρού από τα στερεά και η αρχή λειτουργίας του είναι απλή: η βιολογική επεξεργασία των λυµάτων λαµβάνει χώρα κανονικά στους αντιδραστήρες και το ανάµικτο υγρό διηθείται ώστε να διαχωριστεί η τελική εκροή των λυµάτων από την ιλύ. Η διήθηση πραγµατοποιείται είτε µε την εφαρµογή πίεσης στο ανάµικτο υγρό του αντιδραστήρα είτε µε την εφαρµογή χαµηλής πίεσης στο διήθηµα, ώστε το διήθηµα να περάσει µέσα από τη µεµβράνη ενώ τα στερεά να κατακρατηθούν από τις µεµβράνες. Η κατακράτηση των σωµατιδίων από τις µεµβράνες οφείλεται αποκλειστικά στο µεγαλύτερο µέγεθος των σωµατιδίων σε σχέση µε τους πόρους της µεµβράνης. Το µεγαλύτερο πρόβληµα του συστήµατος αποτελεί η έµφραξη των πόρων των µεµβρανών η οποία προκαλείται από την επικάθιση ουσιών στη µεµβράνη. Για την αντιµετώπιση της έµφραξης και την παράταση της ζωής της µεµβράνης εφαρµόζονται διάφορα µέσα καθαρισµού όπως είναι ο χηµικός και ο υδραυλικός καθαρισµός. Όµως και η σωστή λειτουργία του όλου συστήµατος συµβάλλει στον περιορισµό της έµφραξης. Πρέπει να σηµειωθεί ότι η λειτουργία της µεµβράνης και 4

το είδος καθαρισµού που απαιτείται εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από το τη διάταξη των µεµβρανών. Είσοδος Λυµάτων ιήθηµα Έξοδος Βιοµάζας Βιοαντιδραστήρας Μεµβράνης Σχήµα 1.1 Γενική αρχή Λειτουργίας Βιοαντιδραστήρα Μεµβράνης Τα συστήµατα MBR που επιτελούν διαχωρισµό των στερεών από το υγρό διακρίνονται σε 3 συστήµατα ανάλογα µε το είδος της διάταξης: (1) στα εξωτερικά συστήµατα MBR (External Cross-Flow MBR), (2) στα εσωτερικά εµβυθιζόµενα συστήµατα MBR (Internally Submerged MBR) και (3) στα εξωτερικά εµβυθιζόµενα συστήµατα MBR (Internally Submerged MBR), όπως φαίνεται χαρακτηριστικά στο Σχήµα 1.2 (Van der Roest et al., 2002). Στα εξωτερικά συστήµατα οι µονάδες των µεµβρανών είναι τοποθετηµένες έξω από τους βιολογικούς αντιδραστήρες. Οι βιολογικές διεργασίες πραγµατοποιούνται κανονικά στους αντιδραστήρες και η βιοµάζα τροφοδοτείται, µετά, υπό πίεση σε ένα κύκλωµα ανακυκλοφορίας µέσα στο οποίο περιέχονται οι µονάδες των µεµβρανών και στο οποίο επιτυγχάνεται ο διαχωρισµός των στερεών από το υγρό. Το διήθηµα αφαιρείται και αποτελεί την τελική εκροή, το µεγαλύτερο µέρος του συµπυκνώµατος επανακυκλοφορείται στον αντιδραστήρα, ενώ ένα µικρό µέρος του αφαιρείται ως περίσσεια ιλύς. Στα εσωτερικά εµβυθιζόµενα συστήµατα, η µεµβράνη είναι βυθισµένη µέσα στον αερόβιο αντιδραστήρα. Η διήθηση πραγµατοποιείται ταυτόχρονα µε τις βιολογικές διεργασίες, ενώ δεν υπάρχει κύκλωµα ανακυκλοφορίας, καθώς η διήθηση λαµβάνει χώρα µέσα στον αντιδραστήρα. Το εξωτερικά εµβυθιζόµενο σύστηµα αποτελεί µια παραλλαγή των δύο άλλων διατάξεων καθώς οι µεµβράνες 5

βυθίζονται σε µία ανεξάρτητη δεξαµενή, η οποία τοποθετείται µετά τους βιολογικούς αντιδραστήρες. Το διήθηµα αφαιρείται από αυτή τη δεξαµενή, ενώ µέρος της βιοµάζας επανακυκλοφορείται από τη δεξαµενή της διήθησης στη δεξαµενή αερισµού. Στις εµβυθιζόµενες διατάξεις, η περίσσεια ιλύς αφαιρείται κατευθείαν από τη δεξαµενή όπου είναι τοποθετηµένες οι µεµβράνες (Van der Roest et al., 2002). Και οι τρεις διατάξεις MBR έχουν χρησιµοποιηθεί για την κατασκευή υφιστάµενων ΕΕΛ. Σχήµα 1.2 Εναλλακτικές ιατάξεις για το Αερόβιο Σύστηµα ιαχωρισµού Στερεών / Υγρού (Van der Roest et al., 2002) 6

1.4 Χαρακτηριστικά Συστηµάτων MBR 1.4.1 Φορτίσεις και Χρόνοι παραµονής Ως οργανική φόρτιση ορίζεται ο λόγος της τροφής που παρέχεται στο σύστηµα προς τους µικροοργανισµούς που αναπτύσσονται σε αυτό (λόγος F/M), και αποτελεί το πιο διαδεδοµένο κριτήριο σχεδιασµού. Η λειτουργία των συστηµάτων MBR συνήθως χαρακτηρίζεται από πολύ χαµηλές τιµές οργανικής φόρτισης (F/M<0,4). Αυτό συµβαίνει γιατί τα συστήµατα MBR λειτουργούν συνήθως σε υψηλές συγκεντρώσεις ανάµικτου υγρού στον αντιδραστήρα (MLSS>4000mg/l). Κάτι τέτοιο είναι εφικτό γιατί τα χαρακτηριστικά καθιζησιµότητας της ιλύος δεν έχουν καµία επίπτωση στην λειτουργία του συστήµατος MBR. Στις περισσότερες πειραµατικές και πιλοτικές εφαρµογές συστηµάτων ΜBR που επεξεργάζονται αστικά υγρά απόβλητα, η οργανική φόρτιση στα MBR κυµαίνεται µεταξύ 0,001-0,4 kg COD/kg MLSS-d. Τα συστήµατα MBR σαφώς και µπορούν να λειτουργήσουν σε υψηλότερες οργανικές φορτίσεις, η λειτουργία τους όµως σε υψηλές συγκεντρώσεις ανάµικτου υγρού, και εποµένως σε χαµηλές οργανικές φορτίσεις, έχει το πλεονέκτηµα ότι απαιτεί µικρότερη δεξαµενή αερισµού γι αυτό και εφαρµόζεται. Η ογκοµετρική οργανική φόρτιση αποτελεί ένα εναλλακτικό κριτήριο σχεδιασµού πέρα από αυτό της οργανικής φόρτισης και ορίζεται ως η ποσότητα της οργανικής ύλης ανά m 3 δεξαµενής την ηµέρα. Σύµφωνα µε τους Stephenson et al., 2000, οι ογκοµετρικές φορτίσεις που παρατηρούνται στα MBR κυµαίνονται συνήθως µεταξύ 0,2-3,5 kg COD/m 3 -d, µε πολύ καλές αποδόσεις στην αφαίρεση του COD (>90%). Οι τιµές των ογκοµετρικών παροχών στις περισσότερες περιπτώσεις δεν διαφέρουν σηµαντικά από τις αντίστοιχες του συστήµατος ΕΙ, οι αποδόσεις όµως στην αποµάκρυνση του COD είναι πολύ καλύτερες για τις ίδιες φορτίσεις στο MBR, καθώς στο σύστηµα τις ΕΙ δεν ξεπερνούν το 80-85%. 7

Το σύστηµα MBR χαρακτηρίζεται από πολύ υψηλούς χρόνους παραµονής της ιλύος θ c, οι οποίοι µπορούν να συνδυασθούν µε χαµηλούς υδραυλικούς χρόνους και να επιτύχουν έτσι πολύ υψηλά ποσοστά αποµάκρυνσης της οργανικής ύλης. Ο συνδυασµός αυτός καθίσταται δυνατός γιατί ο χρόνος παραµονής των στερεών είναι τελείως ανεξάρτητος από τον υδραυλικό χρόνο παραµονής, καθώς οι µεµβράνες δεν επιτρέπουν το πρόωρο ξέπλυµα των αιωρούµενων στερεών (Liu et al., 2004). Η επιλογή του χρόνου παραµονής των στερεών στον οποίο θα λειτουργεί το σύστηµα επηρεάζει σε µεγάλο βαθµό τη συγκέντρωση ολικών και πτητικών στερεών στον αντιδραστήρα, την ποσότητα ιλύος που αφαιρείται από το σύστηµα και το µέγεθος των βιοκροκίδων. Πιο συγκεκριµένα, η αυξηµένη ηλικία της λάσπης έχει ως αποτέλεσµα η ποσότητα της περίσσειας ιλύος να είναι µειωµένη και το µέγεθος των βιοκροκίδων µικρότερο σε σύγκριση µε αυτό που παρατηρείται σε µικρότερους χρόνους παραµονής, οι οποίοι είναι χαρακτηριστικοί σε συµβατικά συστήµατα ΕΙ (Huang et al., 2001). Στις περισσότερες εφαρµογές τα MBR λειτουργούν µε χρόνους παραµονής στερεών µεγαλύτερους από 20 ηµέρες (Melin et al., 2006) µε πολύ υψηλά ποσοστά αποµάκρυνσης του COD (>95%). Οι µεγάλοι χρόνοι παραµονής είναι πλεονεκτικοί γιατί επιτρέπουν τη διατήρηση υψηλών συγκεντρώσεων στερεών στο βιολογικό αντιδραστήρα µε αποτέλεσµα να µειώνονται οι ολικές απαιτήσεις της δεξαµενής αερισµού σε όγκο, το οποίο µεταφράζεται σε µικρότερο κατασκευαστικό κόστος της ΕΕΛ. Οι υψηλοί χρόνοι παραµονής παρέχουν επίσης ανταγωνιστικό πλεονέκτηµα σε µικροοργανισµούς οι οποίοι αναπτύσσονται αργά, όπως είναι οι νιτροποιητές, και επιπλέον αυξάνεται η ικανότητα του συστήµατος να διασπά δύσκολα βιοδιασπάσιµες οργανικές ενώσεις. Η απόδοση του MBR δεν εξαρτάται ιδιαίτερα από τον υδραυλικό χρόνο παραµονής θ, όταν αυτός κυµαίνεται µεταξύ 2-24h. Σύµφωνα µε τους Melin et al.,2006, συνήθως ο υδραυλικός χρόνος παραµονής των MBR κυµαίνεται από 1-9 h υπάρχουν όµως και εφαρµογές µε αρκετά µεγαλύτερες τιµές (Stephenson et al., 2000). 8

1.4.2 Συγκέντρωση Ανάµικτου Υγρού Στα κλασικά συστήµατα ΕΙ η συγκέντρωση του ανάµικτου υγρού (MLSS) προκύπτει από τη βελτιστοποίηση του συνολικού όγκου του βιολογικού αντιδραστήρα και της δεξαµενής τελικής καθίζησης. Η τιµή των MLSS κυµαίνεται συνήθως µεταξύ 3.000-4.500 mg/l, ενώ υψηλότερες συγκεντρώσεις δεν συµφέρουν γιατί δυσχεραίνουν την καθιζησιµότητα της ιλύος, µε αποτέλεσµα να απαιτείται µεγαλύτερη ΤΚ µε συνεπακόλουθη αύξηση του κόστους κατασκευής. Στα συστήµατα MBR η ΤΚ καταργείται µε αποτέλεσµα τα χαρακτηριστικά καθιζησιµότητας της ιλύος να µην έχουν καµία επίπτωση στη λειτουργία του συστήµατος. Εποµένως τα συστήµατα MBR έχουν τη δυνατότητα να λειτουργήσουν αποδοτικά σε πολύ υψηλότερες συγκεντρώσεις του ανάµικτου υγρού, οι οποίες µπορεί να κυµαίνονται από 10.000 έως 20.000 mg/l (Stephenson et al., 2000). Η λειτουργία του MBR σε υψηλές συγκεντρώσεις ανάµικτου υγρού είναι πλεονεκτική γιατί µειώνονται οι ολικές απαιτήσεις των δεξαµενών σε όγκο µε αποτέλεσµα να µειώνεται σηµαντικά η συνολική έκταση της ΕΕΛ. Αυτό επιφέρει µειώσεις τόσο στο κόστος αγοράς της γης όσο και στο συνολικό κατασκευαστικό κόστος της ΕΕΛ. Πρέπει να τονιστεί ότι πολύ υψηλές συγκεντρώσεις MLSS (>25.000 mg/l) δεν θεωρούνται λειτουργικές σε µεγαλύτερης κλίµακας MBR καθώς υπάρχει κίνδυνος ανάπτυξης αναερόβιων συνθηκών λόγω της δυσκολίας µεταφοράς του οξυγόνου στη βιοµάζα. Επιπλέον αυξάνεται πολύ το ενεργειακό κόστος, λόγω της λιγότερο αποδοτικής µεταφοράς του οξυγόνου στη βιοµάζα αλλά και λόγω του εντατικότερου καθαρισµού που απαιτείται. Για το λόγο αυτό οι προτεινόµενες συγκεντρώσεις λειτουργίας είναι από 6.000-15.000 mg/l (Melin et al., 2006). 1.4.3 Αποµάκρυνση Αιωρούµενων Στερεών Η αποµάκρυνση αιωρούµενων στερεών από το σύστηµα MBR είναι πλήρης ανεξάρτητα από τις λειτουργικές συνθήκες που επικρατούν στο βιολογικό αντιδραστήρα. Η κατακράτηση των αιωρούµενων στερεών είναι πλήρης, καθώς οι βιοκροκίδες όσο µικρές 9

και αν είναι, είναι πάντα µεγαλύτερες από τους πόρους των µεµβρανών µικροδιήθησης και υπερδιήθησης οι οποίες συνήθως κυµαίνονται µεταξύ 0,02µm 4 µm (Van der Roest et al., 2002). Η πλήρης κατακράτηση των TSS, συντελεί και στη σηµαντική µείωση του ολικού COD, του οργανικού αζώτου και του ολικού φωσφόρου της τελικής εκροής, µε αποτέλεσµα τη βελτίωση της ποιότητας σχεδόν σε όλες τις ποιοτικές παραµέτρους. 1.4.4 Αποµάκρυνση Οργανικής Ύλης Τα συστήµατα MBR αποµακρύνουν σε πολύ µεγάλο βαθµό τις οργανικές ουσίες. Οι αποδόσεις στην αποµάκρυνση του COD κυµαίνονται µεταξύ 90-98%, ενώ πολύ σπάνια είναι κάτω από 85% (Stephenson et al., 2000). Από τιµές που έχουν καταγραφεί παρατηρείται ότι το COD της τελικής εκροής σπάνια ξεπερνά τα 40mg/l, ενώ σε πολλές περιπτώσεις δεν ξεπερνά τα 20-25mg/l. Ο Huang et al., 2001 αναφέρει µέση αποµάκρυνση COD κοντά στο 90%. Ο Al Malack, 2006 λειτουργώντας σύστηµα εµβυθιζόµενου MBR για περισσότερο από ένα χρόνο, βρήκε ότι η αποµάκρυνση COD του συστήµατος κυµάνθηκε µεταξύ 80 98% και κατέληξε στο συµπέρασµα ότι η αποµάκρυνση COD δεν παρουσιάζει σηµαντική αύξηση όταν αυξάνονται τα MLSS του συστήµατος. Οι Masse et. al., 2006, µελέτησαν πειραµατικά την αποµάκρυνση οργανικής ύλης σε σύστηµα εµβυθιζόµενου MBR και τη συνέκριναν µε αυτή σε συµβατικό σύστηµα ΕΙ, χρησιµοποιώντας ίδιο χρόνο παραµονής ιλύος και τον ίδιο τύπο οικιακών υγρών αποβλήτων. Βρέθηκε ότι για το smbr η αποµάκρυνση οργανικού φορτίου σε όρους ολικού COD (TCOD) κυµαινόταν από 90,8-94,2% ενώ για το σύστηµα ΕΙ η αποµάκρυνση κυµαινόταν από 87,4 90,3%. Η επίδοση αυτή αποδίδεται στην ολική κατακράτηση των αιωρούµενων στερεών από το σύστηµα MBR. Για το BOD 5 δεν υπάρχουν τόσες πολλές καταγεγραµµένες µετρήσεις, όµως από τις υπάρχουσες φαίνεται ότι το BOD 5 της τελικής εκροής δεν ξεπερνά τα 5mg/l. Αυτό δείχνει ότι η ποιότητα της εκροής είναι τέτοια που τηρεί µε άνεση το κριτήριο των 25mg/l που απαιτείται από την Οδηγία 91/271 της Ευρωπαϊκής Ένωσης για το 83-93% των δειγµάτων. 10

Η πολύ µεγάλη µείωση του οργανικού φορτίου οφείλεται τόσο στη επιτυχηµένη βιολογική επεξεργασία όσο και στη διήθηση του ανάµικτου υγρού που αφαιρεί τελείως από την τελική εκροή όλα τα αιωρούµενα σωµατίδια που θα µπορούσαν να την επιβαρύνουν µε οργανικό φορτίο καθώς και τις οργανικές ουσίες µε µεγάλο µοριακό βάρος. Με βάσει τα παραπάνω, συµπεραίνεται ότι το COD της τελικής εκροής από συστήµατα MBR αποτελείται κυρίως από πολύ δύσκολα βιοδιασπάσιµα οργανικά, από ουσίες που ενώ οξειδώνονται χηµικά δεν διασπώνται βιολογικά και από διαλυµένες οργανικές ουσίες που δεν κατακρατούνται από τις µεµβράνες. 1.4.5 Χαρακτηριστικά βιοµάζας Η µελέτη της βιολογικής λειτουργίας των ετεροτροφικών µικροοργανισµών στο σύστηµα MBR δείχνει ότι υπάρχουν κάποιες διαφορές σε σύγκριση µε τη λειτουργία των µικροοργανισµών αυτών στα συµβατικά συστήµατα επεξεργασίας λυµάτων. Στο σύστηµα της ΕΙ, µετά την προσρόφηση και υδρόλυση των οργανικών ουσιών στη βιοµάζα, µέρος των οργανικών ουσιών οξειδώνεται µε συνέπεια την παραγωγή ανόργανων ενώσεων (CO 2 +H 2 O) και ενέργειας, ενώ παράλληλα ένα άλλο ποσοστό της οργανικής τροφής χρησιµοποιείται για τη σύνθεση νέας βιοµάζας µε την κατανάλωση της παραγόµενης ενέργειας. Τέλος, µέρος της παραγόµενης βιοµάζας µετατρέπεται σε νεκρή οργανική ύλη, µέσω της διεργασίας της ενδογενούς αναπνοής. Στο MBR, εκτός από τις διεργασίες της προσρόφησης στη βιοµάζα, της υδρόλυσης, της ανάπτυξης και της ενδογενούς αναπνοής των µικροοργανισµών, υπάρχει και µία άλλη σηµαντική διεργασία που πρέπει να ληφθεί υπόψη και είναι αυτή της αποθήκευσης οργανικών ουσιών και/ή της συντήρησης των κυττάρων. Σε συνθήκες χαµηλών οργανικών φορτίσεων, οι οποίες είναι χαρακτηριστικές των συστήµατος MBR, λόγω της µεγάλης έλλειψης τροφής, οι µικροοργανισµοί οι οποίοι µπορούν να αποθηκεύσουν τροφή αποκτούν ανταγωνιστικό πλεονέκτηµα. Η αποθήκευση είναι µια διεργασία που απαιτεί ενέργεια, την οποία πιθανόν στερούνται οι µικροοργανισµοί για την ανάπτυξή τους (Gunder, 2001). Οι κινητικές εξισώσεις που περιγράφουν την κατανάλωση του υποστρώµατος και την ανάπτυξη της ετεροτροφικής βιοµάζας στα συστήµατα MBR είναι οι κινητικές πρώτης 11

τάξης που χρησιµοποιούνται και στα συµβατικά συστήµατα της ΕΙ. Αυτό επιβεβαιώνεται από συγκεκριµένες ερευνητικές προσπάθειες (Yoon et al., 2004; Huang et al, 2001). Μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον εστιάζεται στις τιµές των παραµέτρων των κινητικών και στοιχειοµετρικών εξισώσεων και κυρίως στην ταχύτητα φθοράς των ετεροτροφικών µικροοργανισµών b H. Επιπλέον σηµαντικές έρευνες έχουν γίνει για τον προσδιορισµό του συντελεστή µετατροπής της βιοµάζας Υ Η. Στον Πίνακα 1.1 δίνονται τιµές των κινητικών και στοιχειοµετρικών παραµέτρων που έχουν υπολογισθεί για συστήµατα MBR που επεξεργάζονται αστικά και/ή οικιακά λύµατα. Πίνακας 1.1 Παρουσίαση Τιµών Κινητικών και Στοιχειοµετρικών Παραµέτρων που έχουν Υπολογισθεί για Συστήµατα MBR που Επεξεργάζονται Αστικά Λύµατα (Mαλαµής, 2005) Παράµετρος Συµβολισµός Μονάδες Τιµή Βιβλιογραφία Συντελεστής Παραγωγής Ιλύος Ταχύτητα θανάτου ετεροτροφικών µ/ο Y H mgmlvss /mg COD 0,33 0,36 0,34 0,27 0,56 b H d -1 0,028 0,05-0,32 0,08 Huang et al., 2001 Wisniewski et al., 1999 Pitter & Chubota, 1999 Cicek et al., 1999a Wen et al., 1999 Huang et al., 2001 Nagaoka et al., 1998 Wen et al., 1999 Οι τιµές του Υ Η είναι παρόµοιες µε τις συνήθως παρατηρούµενες τιµές Υ Η στα συστήµατα της ΕΙ (0,25-0,5 mgvss/mgcod) που επεξεργάζονται οικιακά λύµατα, όχι όµως και του b H το οποίο εµφανίζεται πολύ αυξηµένο στο MBR σε σύγκριση µε τις τιµές που εµφανίζει στα συστήµατα της ΕΙ (0,04-0,075d -1 ). Ο Al Malack, 2006 σηµειώνει ότι οι τιµές του Υ Η που υπολόγισε (0,487 0,583 mg/mg )εµφανίζονται ιδιαίτερα αυξηµένες σε σχέση µε τα συµβατικά συστήµατα µόνο όταν το σύστηµα MBR λειτουργούσε σε υψηλές φορτίσεις MLSS (15000mg/l). Η βιβλιογραφία αναφέρει ότι η αυξηµένη τιµή της ταχύτητας φθοράς στο σύστηµα οφείλεται στα αυξηµένα επίπεδα αερισµού στο MBR, λόγω της παροχής αέρα και για τη µείωση της έµφραξης. Αυτό επιταχύνει τη διεργασία 12

της ενδογενούς αναπνοής και εποµένως µειώνει την παραγωγή ιλύος (Huang et al., 2001). 1.4.6 Χαρακτηριστικά Ιλύος Στα ποσοτικά χαρακτηριστικά της ιλύος φαίνεται ότι υπάρχει κάποια συµφωνία στα αποτελέσµατα, όµως στην εξέταση των ποιοτικών χαρακτηριστικών επικρατεί αρκετή σύγχυση, κυρίως σε σχέση µε την επιρροή των λειτουργικών συνθηκών (θ c ) και της διεργασίας της διήθησης. Οι περισσότερες µελέτες του συστήµατος ΜΒR δείχνουν ότι παράγεται λιγότερη ιλύς σε σύγκριση µε όλα τα συµβατικά συστήµατα επεξεργασίας λυµάτων. Αυτό οφείλεται στους αυξηµένους χρόνους παραµονής των στερεών στους οποίους µπορούν να λειτουργήσουν τα MBR και στις συνεπαγόµενες χαµηλές οργανικές φορτίσεις, που έχουν ως αποτέλεσµα την αύξηση του ενδογενούς µεταβολισµού στο σύστηµα. Οι εκτιµήσεις σε σχέση µε το ποσοστό µείωσης της παραγόµενης ιλύος διαφέρει και κυµαίνεται συνήθως µεταξύ 20-50%. Οι Stephenson et al., 2000, αναφέρουν ότι τα συστήµατα MBR συνήθως ελαττώνουν την ποσότητα της περίσσειας ιλύος σε λιγότερη από τη µισή σε σύγκριση µε τα αντίστοιχα συστήµατα της ΕΙ. Το µέγεθος των βιοκροκίδων στο MBR επηρεάζεται καταλυτικά από το χρόνο παραµονής των στερεών αλλά και από άλλες παραµέτρους όπως η διεργασία της διήθησης και το είδος της διάταξης MBR. Σύµφωνα µε τους Masse et al.,2006, επειδή το MBR συνήθως λειτουργεί σε υψηλούς χρόνους παραµονής των στερεών είναι λογικό το µέγεθος των βιοκροκίδων να είναι µικρό, λόγω της αύξησης φαινοµένων αποκροκίδωσης και η ιλύς να έχει δυσµενή χαρακτηριστικά καθίζησης. Όσον αφορά τη διάταξη, εάν η διάταξη εισάγει µεγάλες διατµητικές τάσεις στη βιοµάζα (όπως συµβαίνει στα εξωτερικά MBR), τότε το µέσο µέγεθος των βιοκροκίδων µειώνεται. Αντιθέτως, εάν δεν πραγµατοποιείται ανακυκλοφορία της βιοµάζας, (όπως συµβαίνει στα βυθισµένα MBR που δεν πραγµατοποιούν αποµάκρυνση θρεπτικών) απουσιάζουν οι διατµητικές τάσεις και εποµένως οι βιοκροκίδες είναι µεγαλύτερες. 13

Ο διαχωρισµός των στερεών από το υγρό µε διήθηση διαµέσου των µεµβρανών και όχι µε καθίζηση επηρεάζει σηµαντικά τους µικροοργανισµούς γιατί οι συσσωµατούµενοι µ/ο (floc-formers) που µπορούν να καθιζάνουν εύκολα χάνουν το ανταγωνιστικό τους πλεονέκτηµα σε σύγκριση µε τους νηµατοειδείς µ/ο (Gunder, 2001). Επιπλέον οι νηµατοειδείς µ/ο αποκτούν διπλό ανταγωνιστικό πλεονέκτηµα σε βάρος των συσσωµατούµενων µ/ο λόγω του υψηλού θ c που δηµιουργεί συνθήκες έλλειψης τροφής. Όσον αφορά στις συγκεντρώσεις µετάλλων στην ιλύ που προέρχεται από συστήµατα MBR, δεν αναµένονται ιδιαίτερες διαφορές σε σύγκριση µε τις αντίστοιχες συγκεντρώσεις σε ιλύ από συµβατικά συστήµατα. Εποµένως στο MBR δεν υπάρχει επικίνδυνος εµπλουτισµός της ιλύος µε τοξικές και άλλες ρυπαντικές ουσίες και η χρήση της ιλύος στη γεωργία αλλά και σε άλλες εφαρµογές (π.χ. αναπλάσεις χώρων, κηπουρική) είναι δυνατή, εφόσον βέβαια έχει προηγηθεί η απαραίτητη επεξεργασία της, όπως συµβαίνει και µε την ιλύ του κλασικού συστήµατος της ΕΙ (Gunder, 2001). Ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι ιδιότητες της ιλύος που διευκολύνουν ή δυσχεραίνουν τα µετέπειτα έργα επεξεργασίας της ιλύος και κυρίως την αφυδάτωση. Στη βιβλιογραφία συναντάµε συγκεχυµένες απόψεις στο κατά πόσο η ιλύς που προέρχεται από MBR αφυδατώνεται και φιλτράρεται πιο εύκολα από την ιλύ που προέρχεται από ένα συµβατικό σύστηµα. Σύµφωνα µε τους Murakami et al.1999, η ιλύς που προέρχεται από MBR µπορεί να αφυδατωθεί πιο εύκολα και σε αυτό συµβάλει η αυξηµένη ηλικία της ιλύος. Οι Lee et al.2001, βρήκαν ότι οι αυξηµένες συγκεντρώσεις αιωρούµενων στερεών της ιλύος από MBR καλυτερεύουν τις ιδιότητες διήθησης της ιλύος. Αντιθέτως, οι Stephenson et al., 2000 βρήκαν ότι η αυξηµένη συγκέντρωση SS της ιλύος έχει αρνητική επίδραση στις ιδιότητες φιλτραρίσµατος της ιλύος γιατί αυξάνει το ιξώδες. 1.4.7 Αποµάκρυνση Αζώτου Η αποµάκρυνση του αζώτου σε ΕΕΛ πραγµατοποιείται µε την µετατροπή του σε αέριο άζωτο, καθώς το αµµωνιακό άζωτο µετατρέπεται σε νιτρικό άζωτο µε τη διεργασία της νιτροποίησης και εν συνεχεία σε αέριο άζωτο µε τη διεργασία της απονιτροποίησης µέσα 14

από µια σειρά χηµικών αντιδράσεων. Επιπλέον ένα µικρό ποσοστό του αζώτου αφαιρείται µε τη βιοµάζα, καθώς το άζωτο χρησιµοποιείται για τη σύνθεση νέου κυτταροπλάσµατος. H νιτροποίηση γίνεται µε τη βοήθεια δύο κατηγοριών χηµικοσυνθετικών αυτοτροφικών βακτηριδίων (Nitrosomonas και Nitrobacter) και επιτελείται σε δύο στάδια. Κατά το πρώτο στάδιο το αµµωνιακό άζωτο οξειδώνεται µε τη βοήθεια του Nitrosomonas σε νιτρώδες άζωτο σύµφωνα µε την αντίδραση: NH 4 + + 3/2 O 2 NO 2 - + 2H + + H 2 O (1.1) Κατά το δεύτερο στάδιο το νιτρώδες άζωτο οξειδώνεται σε νιτρικό άζωτο µε τη βοήθεια του Nitrobacter σύµφωνα µε την αντίδραση: NO - + ½ O 2 NO 3 - (1.2) Σαν αυτοτροφικοί οργανισµοί, τα βακτηρίδια αυτά έχουν ανάγκη ανόργανου άνθρακα, τον οποίον παίρνουν µε την µορφή του CO 2 από τα λύµατα, ενώ την απαραίτητη ενέργεια την προσλαµβάνουν από την οξείδωση της αµµωνίας. Η ποσότητα του αζώτου που χρησιµοποιείται για την σύνθεση του νέου πρωτοπλάσµατος των νιτροποιητικών οργανισµών είναι αµελητέα ( 2% του αρχικού αµµωνιακού αζώτου) και έτσι η προσφορά της σύνθεσης στην αποµάκρυνση του αζώτου από τα λύµατα είναι σχεδόν µηδενική. Η ταχύτητα νιτροποίησης εξαρτάται από την ταχύτητα ανάπτυξης τόσο του Nitrosomonas όσο και του Nitrobacter. Υπό κανονικές συνθήκες η ταχύτητα ανάπτυξης του Nitrosomonas είναι σηµαντικά µικρότερη από αυτή του Nitrobacter και εποµένως είναι αυτή που ρυθµίζει την ταχύτητα της αντίδρασης. Γίνεται γενικά δεκτό ότι η κινητική που περιγράφει ικανοποιητικά την ανάπτυξης του Nitrosomonas είναι η κινητική Monod (Ανδρεαδάκης, 1986): ταχύτητα 15

^ µ * N µ = (1.3) KΝ + N Η νιτροποίηση είναι µια ευαίσθητη διεργασία που εξαρτάται σε πολύ µεγάλο βαθµό από παράγοντες όπως το ph των λυµάτων, την παρουσία κατάλληλου δότη ηλεκτρονίων (οξυγόνο), την παρουσία κατάλληλου δέκτη ηλεκτρονίων (αµµωνιακό άζωτο), το χρόνο παραµονής των στερεών και τη θερµοκρασία των λυµάτων. Εάν κάποια από αυτές τις παραµέτρους δεν είναι ευνοϊκή, τότε υπάρχει κίνδυνος αναχαίτισης της νιτροποίησης λόγω της ευαισθησίας των νιτροποιητών. Σύµφωνα µε τους Gao et al., 2004 η δυσκολία έγκειται στη διατήρηση ικανού αριθµού νιτροποιητών µέσα στη δεξαµενή αερισµού έτσι ώστε να επιτευχθεί ο επιθυµητός βαθµός νιτροποίησης. Αυτός ο κίνδυνος υπάρχει τόσο στα συµβατικά συστήµατα ΕΙ όσο και στα συστήµατα MBR. Όµως το σύστηµα του MBR θεωρείται πιο αποδοτικό στη νιτροποίηση γιατί λειτουργεί σε υψηλότερους χρόνους παραµονής της ιλύος και επιτρέπει στους αργά αναπτυσσόµενους νιτροποιητές να παραµείνουν στο σύστηµα και να επιτελέσουν έτσι την επιθυµητή νιτροποίηση. Επιπλέον οι µεµβράνες κατακρατούν το σύνολο των αιωρούµενων στερεών µέσα στον αντιδραστήρα, βελτιώνοντας έτσι τη λειτουργία του συστήµατος και τη σταθερότητα των διεργασιών όπως είναι η νιτροποίηση. Οι Rosenberger et. αl., 2002, παρατήρησαν ότι χρειάστηκαν 30 περίπου ηµέρες για να εµφανιστεί και να σταθεροποιηθεί η νιτροποίηση στο πιλοτικό MBR σύστηµα που µελετούσαν επιτυγχάνοντας νιτροποίηση της τάξεως του 80 83%.Ο Huang et al., 2001 αναφέρει µέση αποµάκρυνση αµµωνιακού αζώτου κοντά στο 90% ενώ οι Jin et al., 2005, αναφέρουν µέση απόδοση νιτροποίησης 94,8% για το δικό τους σύστηµα. Η νιτροποίηση στις περισσότερες εφαρµογές είναι πλήρης, ενώ στην µεγάλη πλειονότητα των περιπτώσεων κυµαίνεται άνω του 97,5%. Η αυξηµένη νιτροποιητική δραστηριότητα στο MBR µπορεί να συνδέεται µε το µικρότερο µέγεθος των βιοκροκίδων που παρατηρείται στo ΜΒR και επιτρέπει την καλύτερη διάχυση των νιτρικών στο εσωτερικό της βιοκροκίδας όπως επίσης και στη διατήρηση υψηλών χρόνων παραµονής της ιλύος. Η ηλικία της ιλύος έχει πολύ σηµαντική επιρροή στη νιτροποίηση τόσο στα συµβατικά συστήµατα όσο και στο MBR. Οι Cote et al. έδειξαν ότι µε αύξηση του θ c από 10 σε 50 ηµέρες, η απόδοση στην 16

αποµάκρυνση της αµµωνίας αυξανόταν από 80% σε 99% (Cote et al., 1997). Οι Fan et al. βρήκαν ότι µε διπλασιασµό του θ c από 5 σε 10 ηµέρες, η απόδοση της νιτροποίησης αυξανόταν από 94 σε 99% (Fan et al., 1996). Στο MBR µπορεί να υπάρξουν και µη ευνοϊκές συνθήκες για την οξείδωση της αµµωνίας, οι οποίες οφείλονται στην υψηλή συγκέντρωση MLSS και εποµένως στην αυξηµένη ζήτηση σε οξυγόνο για ενδογενή µεταβολισµό σε συνδυασµό µε την αυξηµένη δυσκολία στη διάχυση του οξυγόνου (Gunder, 2001). Πρέπει πάντως να σηµειωθεί ότι ο κίνδυνος αναχαίτισης της διεργασίας της νιτροποίησης υπάρχει γενικά στα συστήµατα MBR, εάν κάποια από τις σηµαντικές παραµέτρους που αναφέρθηκαν παραπάνω λάβει µη επιθυµητές τιµές. Για παράδειγµα οι Kishino et al. παρατήρησαν ότι η απόδοση της νιτροποίησης µειωνόταν δραµατικά σε θερµοκρασίες κάτω των 13 ο C (Kishino et al., 1996), ενώ οι Wang et al. µεταβάλλοντας την τιµή του διαλυµένου οξυγόνου (DO) στη δεξαµενή αερισµού βυθισµένου MBR, παρατήρησαν ότι η απόδοση αποµάκρυνσης του NH 4 -N µειώνεται από 98-99% για DO = 3 mg/l σε 40-50% για DO = 0,5 mg/l (Wang et al., 2004). Οι Muller et al. σύγκριναν την οξειδωτική ικανότητα της αµµωνίας σε ένα MBR και ένα EI τα οποία λειτουργούσαν υπό τις ίδιες συνθήκες και κατέληξαν στο συµπέρασµα ότι είναι πολύ παρόµοιες (Muller et al., 1995). Αντιθέτως, οι Zhang et al. έδειξαν ότι η µέση νιτροποιητική δραστηριότητα σε σύστηµα MBR είναι πολύ υψηλότερη από αυτή σε αντίστοιχο σύστηµα ΕΙ: 2,28g NH 4 -N/kg MLSS-d για το ΜΒR συγκρινόµενο µε 0,96 g NH 4 -N/kgMLSS-d του συστήµατος ΕΙ (Zhang et al., 1997). Όµως τα αποτελέσµατα των Zhang et al. βασίζονται σε ιλύ από συστήµατα MBR και από ΕΙ µε τελείως διαφορετικές λειτουργικές συνθήκες, µε τα συστήµατα MBR να χαρακτηρίζονται από αυξηµένους χρόνους παραµονής της ιλύος. Η απονιτροποίηση στο MBR δεν διαφέρει ιδιαίτερα από αυτή των κλασικών συστηµάτων ΕΙ και πραγµατοποιείται σε ανοξικές δεξαµενές οι οποίες είναι συνήθως τοποθετηµένες ανάντη των δεξαµενών αερισµού. Καταλυτικό ρόλο στην απόδοση της απονιτροποίησης διαδραµατίζει ο λόγος COD/N (ή BOD 5 /N), που δείχνει τη 17

διαθεσιµότητα οργανικής ύλης η οποία αποτελεί τον δότη ηλεκτρονίων. Όπως και στο κλασικό σύστηµα ΕΙ, εάν ο λόγος αυτός είναι χαµηλός (<4-5), τότε η οργανική ύλη δεν επαρκεί για να αναχθούν τα νιτρικά σε αέριο άζωτο. Η συνολική αποµάκρυνση αζώτου σε διάφορα συστήµατα MBR εµφανίζει διακυµάνσεις αλλά συνήθως κυµαίνεται µεταξύ 75-85% µε την προϋπόθεση ότι εξασφαλίζονται οι απαιτούµενες ανοξικές συνθήκες. Συµπερασµατικά τα επίπεδα νιτροποίησης στα ΜΒR φαίνονται ότι είναι πολύ υψηλά και οφείλονται σε µεγάλο βαθµό στη διατήρηση υψηλών χρόνων παραµονής της ιλύος. Τα συµβατικά συστήµατα της ΕΙ παρουσιάζουν προβλήµατα καθιζησιµότητας όταν η λειτουργία γίνεται σε υψηλά θ c. Εποµένως, ακόµα και εάν το πλεονέκτηµα της αποδοτικότερης αποµάκρυνσης του αµµωνιακού αζώτου οφείλεται σε µεγάλο βαθµό στους υψηλούς χρόνους παραµονής των στερεών, αυτό θεωρείται ως πλεονέκτηµα του συστήµατος ΜΒR από τη στιγµή που τα συµβατικά συστήµατα αδυνατούν να ανταποκριθούν σε τόσο υψηλά θ c. Η αποµάκρυνση του αζώτου στο σύστηµα MBR πραγµατοποιείται όπως και σε ένα συµβατικό σύστηµα επεξεργασίας λυµάτων. Πρέπει να υπάρξουν αερόβιες και ανοξικές συνθήκες στους βιοαντιδραστήρες ώστε να πραγµατοποιηθούν οι διεργασίες της νιτροποίησης και της απονιτροποίησης αντιστοίχως. Στο ιάγραµµα 1.2 δίνεται ως ποσοστό η συχνότητα της ολικής αποµάκρυνσης COD, BOD 5 και ΝΗ 4 -Ν για συστήµατα MBR µέσα από εργαστηριακές, πιλοτικές και βιοµηχανικές εφαρµογές. 18

Συχνότητα Εµφάνισης (%) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 COD BOD5 NH4-N 75-80 80-85 85-90 90-95 95-97,5 97,5-100 Ποσοστό Αποµάκρυνσης (%) ιάγραµµα 1.2: Αποµάκρυνση COD, BOD 5 και ΝΗ 4 -Ν σε MBR Στην ολική αποµάκρυνση αζώτου υπάρχει κάποια διακύµανση στην απόδοση καθώς κυµαίνεται µεταξύ 60-90%, µε συνηθέστερη τιµή γύρω στα 70-85%. Η απονιτροποίηση στα MBR δεν φαίνεται γενικά να διαφοροποιείται ιδιαίτερα σε σύγκριση µε τα κλασικά συστήµατα ΕΙ. Πρόσφατα ορισµένοι ερευνητές έχουν δοκιµάσει και το σύστηµα της ταυτόχρονης νιτροποίησης-απονιτροποίησης µε τη διατήρηση του διαλυµένου οξυγόνου σε σχετικά χαµηλά επίπεδα (DO=1mg/l), τα οποία επιτρέπουν και τις δύο διεργασίες να πραγµατοποιηθούν ταυτόχρονα µέσα στην ίδια δεξαµενή. Αυτό είναι κατορθωτό λόγω των υψηλών συγκεντρώσεων του ανάµικτου υγρού που επιτρέπει τη δηµιουργία τόσο ανοξικών όσο και αερόβιων ζωνών µέσα στον ίδιο αντιδραστήρα. Λειτουργώντας ένα τέτοιο σύστηµα οι Wang et al. υπολόγισαν την αποµάκρυνση COD, ΝΗ 4 -Ν και ΤΝ, 96%, 95% και 92% αντιστοίχως για DO = 1,0 mg/l (Wang et al., 2004). Το γενικό συµπέρασµα που εξάγεται από τα παραπάνω είναι ότι το σύστηµα MBR µπορεί να ανταποκριθεί µε επιτυχία στην αποµάκρυνση του αζώτου, αρκεί να υπάρχουν οι απαραίτητες προϋποθέσεις, οι οποίες απαιτούνται και στα συµβατικά συστήµατα. Η απόδοση της απονιτροποίησης εξαρτάται σε πολύ µεγάλο βαθµό από την ύπαρξη 19

επαρκούς ποσότητας οργανικής ύλης, µε την απόδοση να µειώνεται όταν ο λόγος COD/N είναι χαµηλός, όπως συµβαίνει και στο κλασικό σύστηµα της ΕΙ. Η απονιτροποιητική ικανότητα στα συστήµατα MBR είναι στα ίδια περίπου επίπεδα µε αυτή στα κλασικά συστήµατα ΕΙ. Ο Gunder σηµειώνει ότι σε γενικές γραµµές δεν αναµένεται υψηλότερη απόδοση των MBR σε ότι αφορά την ολική αποµάκρυνση αζώτου (Gunder, 2001). Από τα παραπάνω καθίσταται αναγκαίο να εξεταστεί το κατά πόσο η νιτροποίηση ευνοείται στο MBR λόγω των αυξηµένων χρόνων παραµονής στο σύστηµα και/ή λόγω της παρουσίας των µεµβρανών διήθησης και ποια είναι η σχετική συνεισφορά της καθεµιάς παραµέτρου. Επιπλέον πρέπει να διερευνηθεί σε βάθος εάν υπάρχουν διαφορές µεταξύ του MBR και του συστήµατος ΕΙ σε σχέση µε τις κινητικές παραµέτρους και τη µικροβιακή σύσταση που αφορούν την αυτοτροφική βιοµάζα. Για να απαντηθούν τα παραπάνω πρέπει να γίνει σύγκριση των δύο συστηµάτων κάτω από τις ίδιες λειτουργικές παραµέτρους (ίδιο θ c ) και για την ίδια σύσταση λυµάτων. Λίγες συγκριτικές ερευνητικές προσπάθειες των δύο συστηµάτων έχουν πραγµατοποιηθεί και σχεδόν όλες µε διαφορετικούς χρόνους παραµονής των δύο συστηµάτων (Cicek et al., 1999). Πρόσφατα πραγµατοποιήθηκαν δύο ερευνητικές µελέτες που είχαν ως στόχο την άµεση σύγκριση MBR και ΕΙ λειτουργώντας τα δύο συστήµατα παράλληλα και ακριβώς κάτω από τις ίδιες λειτουργικές συνθήκες. Πιο συγκεκριµένα, οι Manser et al. βρήκαν ότι η διεργασία της διήθησης διαµέσου των µεµβρανών δεν επηρεάζει το µικροβιακό πληθυσµό των νιτροποιητών ούτε τη διεργασία της νιτροποίησης, καθώς και τα δύο συστήµατα είχαν παρόµοια µέγιστη µικροβιακή δραστηριότητα. Η σύνθεση και η ανοµοιοµορφία των νιτροποιητών καθώς και η σταθερότητα της διεργασίας φαίνεται ότι εξαρτώνται από άλλους παράγοντες όπως είναι η σύνθεση των λυµάτων και η ηλικία της λάσπης. Οι Manser et al. κατέληξαν στο συµπέρασµα ότι η διήθηση αυτή καθαυτή δεν προάγει την απόδοση της νιτροποίησης ούτε αυξάνει την ασφάλεια σε πιθανό ξέπλυµα της βιοµάζας και εποµένως η συµβολή των µεµβρανών στη νιτροποιητική δραστηριότητα µπορεί να παραβλεφθεί. Εποµένως τα ήδη υπάρχοντα µοντέλα της ενεργού ιλύος µπορούν να χρησιµοποιηθούν και στο MBR (Manser et al., 2004). 20