ΠΕΡΙΟ ΙΚΗ ΕΠΑΝΑΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΗ ΟΙΚΙΑΚΩΝ ΛΥΜΑΤΩΝ ΜΕ ΜΕΜΒΡΑΝΕΣ ΜΙΚΡΟ ΙΗΘΗΣΗΣ ΧΑΜΗΛΗΣ ΠΙΕΣΗΣ ιαµαντής Β.Ι., Αναγνωστόπουλος Κ., Μελίδης Π. και Αϊβαζίδης Α. Τµήµα Μηχανικών Περιβάλλοντος, ηµοκρίτειο Πανεπιστήµιο Θράκης, Βασ. Σοφίας 12, Ξάνθη, 67100. Τηλ: 25410 79376, Fax: 25410 79375. Email: bdiamant@env.duth.gr ΠΕΡΙΛΗΨΗ Οικιακά λύµατα µπορούν να επαναχρησιµοποιηθούν µετά από κατάλληλη επεξεργασία, συµβάλλοντας στην εξοικονόµηση νερού ύδρευσης. Η τεχνολογία των µεµβρανών χαµηλής πίεσης επιτυγχάνει µέγιστο διαχωρισµό των παθογόνων µικροοργανισµών, αιωρούµενων και κολλοειδών ρυπαντών από το νερό, µε ελάχιστες απαιτήσεις σε ενέργεια. Στην παρούσα εργασία γίνεται εφαρµογή µιας µονάδας µικροδιήθησης χαµηλής πίεσης (0.13 bar) για την ανάκτηση νερού από πραγµατική δευτεροβάθµια εκροή. Η λειτουργία γινόταν περιοδικά (για 1-2 ώρες την ηµέρα και συνολικά 2-3 φορές την εβδοµάδα) προσοµοιώνοντας τις αρδεύσεις κήπου κατά την καλοκαιρινή περίοδο. Σε συνθήκες σταθερής κατάστασης ο παραλαµβανόµενος ρυθµός διήθησης ήταν της τάξης των 22 L/(m 2 h). Η ανακτώµενη ποσότητα νερού την πρώτη ώρα λειτουργίας ήταν κατά µέσο όρο 38 L/m 2. Το µικροδιηθηµένο νερό χαρακτηριζόταν από µηδενικές συγκεντρώσεις αιωρούµενων στερεών και χαµηλό COD [35 (±26) mg/l]. Η µικροδιήθηση χαµηλής πίεσης µε περιοδική λειτουργία είναι µια αποδοτική διεργασία για την ανακύκλωση νερού. Η υδραυλική συµπεριφορά είναι βέλτιστη, η έµφραξη ελάχιστη και ο ρυθµός διήθησης µπορεί να διατηρηθεί σε υψηλά επίπεδα. ON-DEMAND WASTEWATER REUSE BY LOW PRESSURE MICORFILTRATION SYSTEMS Diamantis V.I, Anagnostopoulos K., Melidis P. And Aivasidis A. Department of Environmental Engineering, Democritus University of Thrace, GR-67100 Xanthi, Greece. Tel. +30 25410 79376, Fax: +30 25410 79375. Email: bdiamant@env.duth.gr ABSTRACT Municipal used water can be reuse at household level in order to minimize the consumption of scarce freshwater. The low-pressure microfiltration process enables the separation of pathogens, suspended and colloidal contaminants from water, with a minimum energy input. In the present work, a low-pressure (0.13 bar) microfiltration plant was installed and operated on original secondary effluent to recover reusable water. Plant operation was performed periodically (1-2 hours per day and 2-3 days per week) simulating water usage (for gardening and crop irrigation) during the summer season. Under steady-state conditions the permeate flux was in the order of 22 L/(m 2 h). Periodic operation recovered ~ 38 L/m 2 per hour, indicating that extended membrane relaxation periods are efficient for fouling control. The microfiltered water was characterized by zero suspended solids concentration and low COD [on average 35 (±26) mg/l]. The periodically operated low-pressure microltration is considered sustainable for household applications. The hydraulic performance is optimum, membrane fouling is kept to a minimum and high permeate flux is maintained. 1
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Χρησιµοποιηµένα νερά που προέρχονται από µεµονωµένες κατοικίες, ξενοδοχεία, κάµπινγκ, κλπ, χαρακτηρίζονται από χαµηλές συγκεντρώσεις επικίνδυνων ουσιών (βαρέα µέταλλα, τοξικές ενώσεις). Μπορούν δε να επαναχρησιµοποιηθούν (πχ για την άρδευση κήπου ή καλλιεργειών) µετά από κατάλληλη επεξεργασία, συµβάλλοντας σε εξοικονόµηση πολύτιµων ποσοτήτων νερού ύδρευσης [1]. Ταυτόχρονα, τα θρεπτικά και ιχνοστοιχεία που βρίσκονται σε διάλυση στο νερό µπορούν να ανακτηθούν και να αξιοποιηθούν για λίπανση του εδάφους. ράσεις και επιδοτήσεις για την «εξοικονόµηση νερού κατ οίκον» συµβάλλουν προς την κατεύθυνση της βέλτιστης διαχείρισης των υδάτων και κρίνονται υψηλής προτεραιότητας. Συµβατικά συστήµατα δευτεροβάθµιας επεξεργασίας λυµάτων (τύπου ενεργού ιλύος και παραλλαγών αυτού) τυγχάνουν πολυάριθµων εφαρµογών [2]. Η διάθεση των επεξεργασµένων αυτών νερών γίνεται συνήθως υπεδάφια, ή επιφανειακά σε κάποιον αποδέκτη. Η διάθεσή τους σε εδάφη αλλά και η χρήση τους για την άρδευση καλλιεργειών περιλαµβάνει αυστηρά µέτρα αναφορικά, όπως αποκλεισµό εισόδου αναρµόδιων προσώπων και ζώων [3]. Στην αντίθετη περίπτωση µπορούν να διατεθούν χωρίς περιοριστικά µέτρα (unrestricted water reuse) αφού προηγηθεί όµως κροκίδωση, διήθηση και απολύµανση [4]. Το σύστηµα αυτό είναι αφενός πολύπλοκο (Σχήµα 1) και αφετέρου η απόδοσή του εξαρτάται από τη σωστή δοσοµέτρηση κροκιδωτικού και απολυµαντικού. Οι απαιτήσεις σε έλεγχο και επίβλεψη είναι σηµαντικές ενώ η χρήση χλωρίου για την απολύµανση δευτεροβάθµιων εκροών οδηγεί στο σχηµατισµό τοξικών παραπροιόντων [5]. Σχήµα 1. Ένταξη µεµβρανών µικροδιήθησης (MF) χαµηλής πίεσης σε συστήµατα επαναχρησιµοποίησης οικιακών λυµάτων (κάτω), ως εναλλακτική των συµβατικών τεχνολογιών που προτείνονται από την εθνική νοµοθεσία (1. Κροκίδωση, 2. ιήθηση, 3. Απολύµανση) (πάνω). Για την επαναχρησιµοποίηση λοιπόν των λυµάτων σε αποκεντρωµένες και οικιακές εφαρµογές, απαιτούνται συστήµατα τα οποία αφενός είναι αποδοτικά και αφετέρου έχουν τις 2
ελάχιστες απαιτήσεις σε επίβλεψη και συντήρηση. Η τεχνολογία της διήθησης µε µεµβράνες προσφέρει σηµαντικά πλεονεκτήµατα έναντι των συµβατικών συστηµάτων επεξεργασίας και ειδικότερα [6]: (1) αποµάκρυνση αιωρούµενων στερεών χωρίς τη χρήση κροκιδωτικών, (2) αξιόπιστη παραγωγή νερού υψηλής καθαρότητας, (3) πολύ υψηλή «λογαριθµική» αποµάκρυνση σωµατιδίων τύπου Giardia και Cryptosporidium, (4) έχει σηµαντικά µικρότερες απαιτήσεις σε χώρο συγκριτικά µε τα συµβατικά φίλτρα, (5) δυνατότητα αυτόµατης λειτουργίας, (6) ελάχιστες απαιτήσεις σε παρακολούθηση, (7) µακρόχρονη επίτευξη των ορίων που τίθενται από την νοµοθεσία. Στην παρούσα εργασία γίνεται αξιολόγηση ενός συστήµατος διήθησης µε µεµβράνες για την επαναχρησιµοποίηση νερού µετά από δευτεροβάθµια επεξεργασία. Η λειτουργία της µονάδας γινόταν περιοδικά (on demand) και σε αναλογία µε τις ανάγκες νερού ποτίσµατος κατά τη διάρκεια της καλοκαιρινής περιόδου. Σκοπός της εργασίας ήταν η εξέταση της δυνατότητας χρήσης του προτεινόµενου συστήµατος σε οικιακό επίπεδο, της αξιοπιστίας του όσον αφορά την ποιότητα του παραλαµβανόµενου νερού (µείωση οργανικών, αιωρούµενων στερεών και θρεπτικών) και τη δυνατότητα λειτουργίας χωρίς επίβλεψη ή συντήρηση. 2. ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 2.1. Χρησιµοποιηµένα νερά Η παρούσα εργασία εκπονήθηκε στα Εργαστήρια του Τµήµατος Μηχανικών Περιβάλλοντος του ηµοκρίτειου Πανεπιστήµιου Θράκης. Τα ανεπεξέργαστα υγρά απόβλητα λαµβάνονταν καθηµερινά από τη δεξαµενή συλλογής της πανεπιστηµιούπολης (Κιµµέρια, Ξάνθης). Εκεί καταλήγουν τα λύµατα από τα δωµάτια, το κυλικείο, τα εστιατόρια και τα εργαστήρια του Τµήµατος Μηχανικών Περιβάλλοντος. Τα νερά αυτά είναι ασθενή µε συγκεντρώσεις COD = 285 (±63) mg/l; Αµµωνιακό άζωτο = 52 (±4) mg/l; Φώσφορος = 5 (±0.5) mg/l. Η βιολογική τους επεξεργασία έγινε σε αντιδραστήρα ενεργού ιλύος στο εργαστήριο. Η δευτεροβάθµια εκροή, εισάγονταν καθηµερινά στη δεξαµενή µικροδιήθησης. 2.2. Εξοπλισµός µικροδιήθησης Το φίλτρο µικροδιήθησης που χρησιµοποιήθηκε στην παρούσα εργασία είχε συνολική επιφάνεια 3.5 m 2 και µέγεθος πόρων 0.4 µm. Η διάταξη αποτελούνταν από 48 φύλλα επίπεδων µεµβρανών (flat sheet) διαµορφωµένα σε µορφή σάντουιτς. Ο έλεγχος της έµφραξης γινόταν µε τη διάχυση φυσαλίδων αέρα (air slugs). Για το σκοπό αυτό χρησιµοποιήθηκε διαχυτήρας µεσαίας φυσαλίδας και αεροσυµπιεστής ισχύος 0.12 kw. Η παραλαβή του διηθήµατος γινόταν µε αντλία δυναµικότητας 7 m 3 /h (ισχύος 0.12 kw). Το σύστηµα των µεµβρανών βρισκόταν τοποθετηµένο σε πλαστική δεξαµενή συνολικού όγκου 1.5 m 3 (διάµετρος 1 m και ύψος 2 m). 2.3. Λειτουργία του συστήµατος Η λειτουργία του συστήµατος γινόταν περιοδικά (2-3 φορές την εβδοµάδα και για 1-2 ώρες την ηµέρα) προσοµοιώνοντας τις αρδεύσεις κήπου κατά την καλοκαιρινή περίοδο. Το σύστηµα τέθηκε σε λειτουργία συνολικά 12 φορές σε διάρκεια 1.5 µήνα (µέσα Μαϊου έως τέλη Ιουνίου 2010). Η πίεση λειτουργίας διατηρήθηκε στα 0.13 bar. Η πίεση ήταν σταθερή καθ όλη τη διάρκεια της µελέτης µε χρήση ελεγκτή (controller) µέσω του οποίου γινόταν ρύθµιση των στροφών της αντλίας. Το σύστηµα τίθονταν σε λειτουργία on demand και ακολούθως γινόταν καταγραφή της πίεσης, της παροχής του διηθήµατος και της θερµοκρασίας. Η λειτουργία του αεροσυµπιεστή γίνοταν µόνο κατά το διάστηµα λειτουργίας της αντλίας αναρρόφησης. 3
2.4. Υπολογισµοί Από την παροχή του διηθήµατος και τη θερµοκρασία του νερού γινόταν υπολογισµός του πραγµατικού ρυθµού διήθησης (J T ), και του κανονικοποιηµένου ρυθµού διήθησης (J, στους 20 ο C): J T = Q/A J = J T *1.03 (20-Τ) [7] όπου Q = παροχή του διηθήµατος (L/h) και Α = επιφάνεια των µεµβρανών (m 2 ) T = θερµοκρασία του νερού ( o C) 2.5. Αναλυτικές µέθοδοι Κατά τη λειτουργία του συστήµατος γινόταν συλλογή δειγµάτων από τη δεξαµενή της µεµβράνης και το διήθηµα. Οι παράµετροι που εξετάζονταν ήταν: το ph, η ηλεκτρική αγωγιµότητα, το ολικό και διαλυτό COD, τα αιωρούµενα στερεά, η αµµωνία και τα φωσφορικά. Οι αναλύσεις έγιναν σύµφωνα µε πρότυπες µεθόδους [8]. 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 3.1. Μεταβολή της παροχή διηθήµατος Η µεταβολή του ρυθµού διήθησης κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του συστήµατος φαίνεται στο Σχήµα 2. Οι µετρήσεις εκφράζουν την µέση τιµή και την τυπική απόκλιση 12 επαναλήψεων. Ο ρυθµός διήθησης παρουσιάζει ταχεία µείωση λόγω του σχηµατισµού στρώµατος επικαθήσεων και µετά από 1.5 h επιτυγχάνονται συνθήκες σταθερής κατάστασης [ 22.8 (±2.4) L/(m 2 h)]. Σχήµα 2. Μεταβολή του ρυθµού διήθησης συστήµατος µεµβρανών µικροδιήθησης χαµηλής πίεσης κατά την επεξεργασία δευτεροβάθµιας εκροής (αριθµός δοκιµών n=12). Όπως φαίνεται από τα αποτελέσµατα του Σχήµατος 2, οι αρχικές τιµές του ρυθµού διήθησης διατηρήθηκαν σε επίπεδα της τάξης των 50 L/(m 2 h) καθόλη τη διάρκεια της έρευνας. Η τιµή 4
είναι σχεδόν διπλάσια από αυτή που προσδιορίζεται σε συνθήκες σταθερής κατάστασης. Αυτό οφείλεται στην αποµάκρυνση του στρώµατος των επικαθήσεων κατά την περίοδο ξεκούρασης της µεµβράνης [9]. Επιπρόσθετα, η λειτουργία σε χαµηλή πίεση οδηγεί στο σχηµατισµό χαλαρού στρώµατος επικαθήσεων το οποίο αποµακρύνεται εύκολα [10]. Μετά την ολοκλήρωση της µελέτης, καθαρισµός της µεµβράνης µε διάλυµα χλωρίνης (50 mg/l) για διάρκεια 24 h είχε ως αποτέλεσµα πλήρη ανάκτηση του αρχικού ρυθµού διήθησης [~ 60 L/(m 2 h) σε σταθερή κατάσταση µε καθαρό νερό]. 3.2. Ανάκτηση νερού Στο Σχήµα 3 γίνεται παρουσίαση των ποσοτήτων νερού που µπορούν να ανακτηθούν ανά πρώτη ώρα λειτουργίας του συστήµατος. Για σύγκριση επίσης δίνεται η παραλαβόµενη ποσότητα νερού κατά τη λειτουργία σε συνθήκες σταθερής κατάστασης (συνεχή λειτουργία). Όλα τα αποτελέσµατα εκφράζονται ανά µονάδα επιφάνειας της µεµβράνης. Κατά µέσο όρο η µικροδιήθηση µπορεί να συµβάλλει στην ανάκτηση ~ 38.6 (±4.0) L/m 2 για την πρώτη ώρα λειτουργίας. Η διακύµανση των ποσοτήτων αυτών είναι ελάχιστη και στατιστικά δεν παρατηρείται µείωση κατά τη λειτουργία της µονάδας για διάστηµα 1.5 µήνα (βλέπε Σχήµα 3). Σχήµα 3. Μεταβολή της ποσότητας νερού που ανακτάται ανά πρώτη ώρα λειτουργίας του συστήµατος µικροδιήθησης ( ) και θεωρητικά αναµενόµενη ποσότητα σύµφωνα µε το ρυθµό διήθησης σταθερής κατάστασης ( ). Για µια οικιακή εφαρµογή (4 ΙΚ) στην οποία απαιτούνται περίπου 7 m 2 µεµβράνης, η ποσότητα νερού που µπορεί να ανακτηθεί ανά ώρα λειτουργίας είναι ~ 250 L. Αυτή επαρκεί για την άρδευση ~ 20 m 2 κήπου. 3.3. Ποιότητα µικρο-διηθηµένου νερού Το νερό µετά τη µικροδιήθηση ήταν αισθητικά άριστο (Σχήµα 4). Οι συγκεντρώσεις COD βρισκόταν σε επίπεδα της τάξης των 35 mg/l και η αποµάκρυνση κυµάνθηκε σε 50%. Ο σχηµατισµός του στρώµατος των επικαθήσεων συµβάλλει σε κατακράτηση συστατικών µεγέθους µικρότερου από τους πόρους της µεµβράνης. Ακολούθως η µείωση στο διαλυτό κλάσµα του COD ήταν σηµαντική (Πίνακας 1). Η υπολειπόµενη ποσότητα οργανικών συστατικών µπορεί να αποµακρυνθεί µε ένα τυπικό φίλτρο ενεργού άνθρακα [11]. Το περιεχόµενο του νερού σε άζωτο ανακτήθηκε σε µεγάλο βαθµό (βλέπε Πίνακα 1). 5
Σχήµα 4. Μακροσκοπική εξέταση δειγµάτων µικροδιηθηµένου νερού (δεξιά) και συµπυκνώµατος (αριστερά) (λήψη φωτογραφίας: 22/6/2010). Το νερό στη δεξαµενή της µεµβράνης παρουσίαζε ελαφρά πρασινωπό χρώµα εξαιτίας της ανάπτυξης αλγών. Πίνακας 1. Ποιότητα ανεπεξέργαστου και µικροδιηθηµένου νερού κατά την περίοδο λειτουργίας (αριθµός δειγµάτων n=15, οι αριθµοί στην παρένθεση παριστάνουν την τυπική απόκλιση) Παράµετρος Μονάδες εξαµενή ιήθηµα ph - 8.48 (±0.35) 8.43 (±0.34) EC µs/cm 602 (±49) 601 (±50) SS mg/l 41 (±25) 0.1 (±0.3) COD συνολικό mg/l 75 (±37) 37 (±26) COD διαλυτό mg/l 51 (±33) 37 (±26)* NH 4 -N ^ mg/l 6.6 (±2.9) 5.7 (±2.9) PO 4 -P ^ mg/l < 0.05 < 0.05 * το συνολικό και το διαλυτό COD του διηθήµατος ταυτίζονται ^ n=5 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η µικροδιήθηση µε µεµβράνες χαµηλής πίεσης είναι αποδοτική για την επαναχρησιµοποίηση νερού µετά από δευτεροβάθµια επεξεργασία. Το σύστηµα µπορεί να εφαρµοστεί σε µεµονωµένες κατοικίες και έχει ελάχιστες απαιτήσεις σε ενέργεια. Η περιοδική λειτουργία ανάλογα µε τις ανάγκες του ιδιοκτήτη σε νερό συµβάλλει σε βέλτιστη υδραυλική συµπεριφορά, ελαχιστοποίηση της έµφραξης και διατήρηση του ρυθµού διήθησης σε υψηλά επίπεδα. Ακολούθως, η συντήρηση περιορίζεται στο ελάχιστο. 6
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Verstraete W., P. van de Caveye and V. Diamantis (2009) Maximum use of resources present in domestic used water Bioresource Technology, 100: 1234-1234. 2. Rich B. (2008) Overview of the field test of innovative on-site wastewater treatment systems during the La Pine National Demonstration Project Journal Hydrologic Engineering ASCE, 13: 752-760. 3. ΦΕΚ 138 B/ 24-2-1965 Περί διαθέσεως λυµάτων και βιοµηχανικών αποβλήτων Υπουργική Απόφαση αριθµ. Ε1β 221/65. 4. ΦΕΚ 2089 Β/ 9-10-2008 Τροποποίηση της περίπτωσης (γ) της παρ. 1 του άρθρου 8 της υπ αριθµ. Ε1β/221/65 Υγειονοµικής ιάταξης. 5. Krasner S.W., P. Westerhoff, B. Chen, B.E. Rittmann and G. Amy (2009) Occurrence of disinfection byproducts in United States wastewater treatment plants effluents Environmental Science Technology, 43: 8320-8325. 6. Kawamura S. (2000) Integrated design and operation of water treatment facilities 2 nd Ed., John Wiley & Sons, Inc., Canada. 7. Kumar S.M. and S. Roy (2008) Recovery of water from sewage effluents using alumina ceramic microfiltration membranes Separation Science Technology, 43: 1034-1064. 8. APHA (1998) Standard methods for the examination of water and wastewater 9. Wu J., P. Le-Clech, R.M. Stuetz, A.G. Fane and V. Chen (2008) Effects of relaxation and backwashing conditions on fouling in membrane bioreactors Journal Membrane Science, 324: 26-32. 10. Le-Clech P., V. Chen and T.A.G. Fane (2006) Fouling in membrane bioreactors used in wastewater treatment Journal Membrane Science, 284: 17-53. 11. Peter-Varbanets M., C. Zurbrugg, C. Swartz and W. Pronk (2009) Decentralized systems for potable water and the potential of membrane technology Water Research, 43: 245-265. 7