αφρισμού σε συστήματα ενεργού ιλύος με απομάκρυνση θρεπτικών Ειδικές μέθοδοι ελέγχου φαινομένων νηματοειδούς διόγκωσης και

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ...vi ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ...ix ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ...1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ...6 2.1 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΕΡΓΟΥ ΙΛΥΟΣ ΜΕ ΕΜΦΑΣΗ ΣΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΟΗΣ...7 2.1.1 Εισαγωγή...7 2.1.2 Η σημασία της Δεξαμενής Τελικής Καθίζησης...9 2.1.3 Διαφοροποίηση του συστήματος σε συνάρτηση με την ηλικία της ιλύος..11 2.1.4 Σύστημα ενεργού ιλύος για απομάκρυνση οργανικού άνθρακα...14 2.1.5 Σύστημα ενεργού ιλύος για απομάκρυνση οργανικού άνθρακα και αζώτου...16 2.1.5.1 Σύστημα μετααπονιτροποίησης...17 2.1.5.2 Σύστημα προαπονιτροποίησης...17 2.1.5.3 Σύστημα ταυτόχρονης νιτροποίησης- απονιτροποίησης...21 2.1.6 Σύστημα ενεργού ιλύος για απομάκρυνση οργανικού άνθρακα, αζώτου και φωσφόρου...23 2.1.7 Σύστημα ενεργού ιλύος για παραγωγή σταθεροποιημένης ιλύος...26 2.2 ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΩΝ ΚΥΚΛΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ (SBR)...28 2.2.1 Εισαγωγή...28 2.2.2 Περιγραφή του συστήματος εναλλασσόμενων κύκλων λειτουργίας...29 2.2.2.1 Γενικά...29 2.2.2.2 Φάσεις λειτουργίας...30 2.2.2.3 Επιλογή των χρόνων των φάσεων...33 2.2.3 Τυπική εγκατάσταση επεξεργασίας λυμάτων με αντιδραστήρα εναλλασσόμενων κύκλων λειτουργίας...34 2.2.4 Αξιολόγηση συστημάτων με αντιδραστήρα εναλλασσόμενων κύκλων λειτουργίας...36 2.3 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΥ ΤΩΝ ΣΤΕΡΕΩΝ ΑΠΟ ΤΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΜΕΝΑ ΛΥΜΑΤΑ...38 2.3.1 Εισαγωγή...38 2.3.2 Δημιουργία κροκίδων...38 i

2.3.3 Προβλήματα διαχωρισμού των στερεών από τα επεξεργασμένα λύματα..42 2.3.3.1 Διασπαρμένη ανάπτυξη (Dispersed Growth)...43 2.3.3.2 Ανάπτυξη μικροκροκίδων (pinpoint floc ή pin floc)...43 2.3.3.3 Ιξώδης διόγκωση της ιλύος (Viscous bulking)...45 2.3.3.4 Ανύψωση ιλύος...46 2.3.3.5 Νηματοειδής διόγκωση ιλύος...47 2.3.3.6 Αφρισμός ιλύος λόγω νηματοειδών μικροοργανισμών...48 2.4 ΝΗΜΑΤΟΕΙΔΕΙΣ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ...53 2.4.1 Εισαγωγή...53 2.4.2 Επικρατέστεροι νηματοειδείς μικροοργανισμοί...54 2.4.3 Νηματοειδείς μικροοργανισμοί χαμηλής οργανικής φόρτισης...58 2.4.3.1 Εισαγωγή...58 2.4.3.2 Microthrix parvicella...58 2.5 ΕΛΕΓΧΟΣ ΝΗΜΑΤΟΕΙΔΟΥΣ ΔΙΟΓΚΩΣΗΣ ΚΑΙ ΑΦΡΙΣΜΟΥ...68 2.5.1 Εισαγωγή...68 2.5.2 Παράγοντες που επηρεάζουν την ανάπτυξη των νηματοειδών μικροοργανισμών...71 2.5.2.1 Χρόνος παραμονής στερεών...71 2.5.2.2 Καθεστώς ροής...73 2.5.2.3 Αποδέκτης ηλεκτρονίων...75 2.5.2.4 Η συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου...77 2.5.2.5 Η συγκέντρωση των θρεπτικών...79 2.5.2.6 Το ph του ανάμικτου υγρού...82 2.5.2.7 Η θερμοκρασία του ανάμικτου υγρού...83 2.5.2.8 Τα χαρακτηριστικά των λυμάτων...85 2.5.2.9 Η συγκέντρωση των επιφανειακών τασιενεργών...91 2.5.3 Μέθοδοι ελέγχου των φαινομένων νηματοειδούς διόγκωσης και αφρισμού σε συστήματα ενεργού ιλύος με απομάκρυνση θρεπτικών...91 2.5.3.1 Μη-ειδικές μέθοδοι ελέγχου φαινομένων νηματοειδούς διόγκωσης και αφρισμού σε συστήματα ενεργού ιλύος με απομάκρυνση θρεπτικών...92 2.5.3.2 Ειδικές μέθοδοι ελέγχου φαινομένων νηματοειδούς διόγκωσης και αφρισμού σε συστήματα ενεργού ιλύος με απομάκρυνση θρεπτικών...97 2.6 ΧΗΜΕΙΑ ΤΩΝ ΜΕΤΑΒΟΛΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ...106 2.6.1 Εισαγωγή...106 ii

2.6.2 Λίπη και έλαια...106 2.6.2.1 Παλμιτικό οξύ...108 2.6.2.2 Στεατικό οξύ...109 2.6.2.3 Ελαϊκό οξύ...109 2.6.2.4 Λινελαϊκό οξύ...110 2.6.3 Πρωτεΐνες...112 2.6.4 Υδατάνθρακες...113 2.6.5 Μεταβολισμός των βιομορίων...114 2.6.5.1 Καταβολισμός...114 2.6.5.2 Αναβολισμός...119 2.7 ΣΥΝΘΕΤΙΚΑ ΛΥΜΑΤΑ...122 2.7.1 Εισαγωγή...122 2.7.2 Τυπικά χαρακτηριστικά αστικών λυμάτων...123 2.7.3 «Συνταγές» συνθετικών λυμάτων...124 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ...129 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΠΙΛΟΤΙΚΗΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΑΝΑΛΥΣΗΣ...132 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ...133 4.2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΟΗΣ...134 4.3 ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΩΝ ΚΥΚΛΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ SBR...139 4.4 ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΝΑΛΥΣΗΣ...143 4.4.1 Εισαγωγή...143 4.4.2 Μέτρηση ολικών και πτητικών αιωρούμενων στερεών...144 4.4.3 Μέτρηση ολικού και διαλυτού χημικά απαιτούμενου οξυγόνου- COD (Chemical Oxygen Demand)...145 4.4.4 Μέτρηση νιτρικού αζώτου...147 4.4.5 Μέτρηση αμμωνιακού αζώτου...148 4.4.6 Μέτρηση του ολικού κατά Kjeldahl αζώτου- ΤΚΝ (Total Kjeldahl Nitrogen)...150 4.4.7 Μέτρηση του δείκτη καθιζησιμότητας της ιλύος- SVI (Sludge Volume Index)...152 4.4.8 Πειράματα διακεκομμένου κύκλου λειτουργίας (batch)...153 4.4.8.1 Υπολογισμός της ταχύτητας αποξυγόνωσης- ΟUR (Oxygen Uptake Rate)...153 iii

4.4.8.2 Υπολογισμός της ταχύτητας απονιτροποίησης- NUR (Nitrate Uptake Rate)...157 4.4.8.3 Υπολογισμός της ταχύτητας νιτροποίησης- ΑUR (Ammonia Uptake Rate)...159 4.4.9 Μικροσκοπικές αναλύσεις...160 4.4.9.1 Ποσοτικός προσδιορισμός του M. parvicella...160 4.5.9.2 Χρώση κατά Gram...161 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ...163 5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ...164 5.2 ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ...167 5.2.1 Σύσταση συνθετικών λυμάτων τροφοδοσίας...167 5.2.2 Υπολογισμός της συγκέντρωσης του ελαϊκού οξέος στην είσοδο των συστημάτων...174 5.2.3 Χαρακτηρισμός των συνθετικών λυμάτων με τη μέθοδο μέτρησης της ταχύτητας αποξυγόνωσης...174 5.3 1 η ΠΕΡΙOΔΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ...178 5.3.1 Συντήρηση των συστημάτων...178 5.3.2 Αιωρούμενα στερεά- Περίσσεια ιλύος- Χρόνος παραμονής στερεών...179 5.3.3 Χημικά απαιτούμενο οξυγόνο (COD)...181 5.3.4 Οργανική φόρτιση...183 5.3.5 Αμμωνιακό και νιτρικό άζωτο...184 5.3.6 Αποδόσεις...185 5.3.7 Πειράματα χαρακτηρισμού της βιομάζας...187 5.3.8 Ισοζύγια αζώτου...188 5.3.9 Δείκτης καθιζησιμότητας της ιλύος...190 5.3.10 Μικροσκοπικά αποτελέσματα...191 5.4 2 η ΠΕΡΙΟΔΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ...193 5.4.1 Συντήρηση των συστημάτων...193 5.4.2 Αιωρούμενα στερεά- Περίσσεια ιλύος- Χρόνος παραμονής στερεών...193 5.4.3 Χημικά απαιτούμενο οξυγόνο (COD)...195 5.4.4 Οργανική φόρτιση...196 5.4.5 Αμμωνιακό, νιτρικό και ολικό κατά Kjeldahl άζωτο...197 5.4.6 Αποδόσεις...198 5.4.7 Πειράματα χαρακτηρισμού της βιομάζας...200 iv

5.4.8 Ισοζύγια αζώτου...202 5.4.9 Δείκτης καθιζησιμότητας της ιλύος...204 5.3.10 Μικροσκοπικά αποτελέσματα...205 5.5 3 η ΠΕΡΙΟΔΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ...207 5.5.1 Συντήρηση συστημάτων...207 5.5.2 Αιωρούμενα στερεά- Περίσσεια ιλύος- Χρόνος παραμονής στερεών...207 5.5.3 Χημικά απαιτούμενο οξυγόνο (COD)...209 5.5.4 Οργανική φόρτιση...210 5.5.5 Αμμωνιακό, νιτρικό και ολικό κατά Kjeldahl άζωτο...210 5.5.6 Αποδόσεις...211 5.5.7 Πειράματα χαρακτηρισμού της βιομάζας...213 5.5.8 Ισοζύγια αζώτου...214 5.5.9 Δείκτης καθιζησιμότητας της ιλύος...216 5.5.10 Μικροσκοπικά αποτελέσματα...217 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...220 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...225 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ...241 v

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Σχήμα 2. 1: Αερόβιος μεταβολισμός μικροοργανισμών...8 Σχήμα 2. 2: Σύστημα ενεργού ιλύος για απομάκρυνση οργανικού άνθρακα...14 Σχήμα 2. 3: Σύστημα ενεργού ιλύος με προαπονιτροποίηση...18 Σχήμα 2. 4: Σύστημα ενεργού ιλύος με προαπονιτροποίηση και βιολογική αποφωσφόρωση...26 Σχήμα 2. 5: Τυπική εγκατάσταση επεξεργασίας λυμάτων με τρία παράλληλα SBR..36 Σχήμα 2. 6: Νηματοειδούς προέλευσης αφρός εγκλωβισμένος σε δεξαμενή αερισμού...51 Σχήμα 2. 7: Μορφολογία του M. parvicella...59 Σχήμα 2. 8: Θετική κατά Gram αντίδραση του M. parvicella...60 Σχήμα 2. 9: Συσχέτιση ανάπτυξης νηματοειδών μικροοργανισμών και Θ c...73 Σχήμα 2. 10: Επίδραση της θερμοκρασίας στην ταχύτητα ανάπτυξης των μικροοργανισμών...83 Σχήμα 2. 11: Ταχύτητα ανάπτυξης συσσωματούμενων και νηματοειδών μικροοργανισμών ως συνάρτηση της συγκέντρωσης της διαθέσιμης διαλυτής οργανικής ύλης...98 Σχήμα 2. 12: Υδρόλυση λιπών και ελαίων...107 Σχήμα 2. 13: Τρισδιάστατη δομή παλμιτικού οξέος...108 Σχήμα 2. 14: Τρισδιάστατη δομή στεατικού οξέος...109 Σχήμα 2. 15: Τρισδιάστατη δομή ελαϊκού οξέος...109 Σχήμα 2. 16: Τρισδιάστατη δομή λινελαϊκού οξέος...110 Σχήμα 2. 17: Συντακτικός τύπος αλυσίδας PHB...111 Σχήμα 2. 18: Ακετυλο συνένζυμο Α...115 Σχήμα 2. 19: Διφωσφορική και τριφωσφορική αδενοσίνη...115 Σχήμα 2. 20: Φωσφορυλίωση και οξείδωση γλυκερόλης...116 Σχήμα 2. 21: Μετατροπή πυροσταφυλικού ιόντος σε ακετυλο συνένζυμο Α...117 Σχήμα 2. 22: Επισκόπηση των καταβολικών διεργασιών αποικοδόμησης της τροφής και παραγωγής βιοχημικής ενέργειας σε αερόβιες συνθήκες...119 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Σχήμα 4. 1: Ανοξικές δεξαμενές των συστημάτων συνεχούς ροής...135 Σχήμα 4. 2: Αερόβιες δεξαμενές των συστημάτων συνεχούς ροής και SBR...135 vi

Σχήμα 4. 3: Δεξαμενές τελικής καθίζησης των συστημάτων συνεχούς ροής...135 Σχήμα 4. 4: Δεξαμενή τελικής καθίζησης- λεπτομέρεια κατασκευής πυθμένα...135 Σχήμα 4. 5: Δοχεία τροφοδοσίας των συστημάτων συνεχούς ροής...136 Σχήμα 4. 6: Διπλή περισταλτική αντλία τροφοδοσίας των συνθετικών λυμάτων...137 Σχήμα 4. 7: Ψυκτική συσκευή της εταιρίας HITACHI...137 Σχήμα 4. 8: Ροϊκό Διάγραμμα συστημάτων συνεχούς ροής με προαπονιτροποίηση 138 Σχήμα 4. 9: Σύστημα SBR...139 Σχήμα 4. 10: Φάση καθίζησης στο SBR...140 Σχήμα 4. 11: Αφαίρεση υπερκείμενου υγρού με αναρρόφηση στο SBR...141 Σχήμα 4. 12: Έξοδος SBR...141 Σχήμα 4. 13: Προσθήκη μίγματος τροφής στο SBR...141 Σχήμα 4. 14: Φάση αντίδρασης και φάση καθίζησης στο SBR...142 Σχήμα 4. 15: Φάση καθίζησης, εκκένωσης και πλήρωσης στο SBR...142 Σχήμα 4. 16: Αναλυτικός ζυγός...144 Σχήμα 4. 17: Συσκευή διήθησης μονή με χρήση αντλίας κενού...144 Σχήμα 4. 18: Συσκευή χώνευσης φιαλιδίων COD και φασματοφωτόμετρο ορατού φωτός...146 Σχήμα 4. 19: Δείγματα προς μέτρηση νιτρικών σε φασματοφωτόμετρο ορατού φωτός...147 Σχήμα 4. 20:Προετοιμασία δειγμάτων για απόσταξη...149 Σχήμα 4. 21: Απόσταξη δειγμάτων για προσδιορισμό αμμωνιακού αζώτου...149 Σχήμα 4. 22: Φασματοφωτόμετρο U-2001...149 Σχήμα 4. 23: Προετοιμασία δειγμάτων για χώνευση...151 Σχήμα 4. 24: Χώνευση δειγμάτων...151 Σχήμα 4. 25: Προσδιορισμός του δείκτη καθιζησιμότητας της ιλύος...152 Σχήμα 4. 26: Χαρακτηρισμός κλασμάτων οργανικού φορτίου σε λύματα με μετρήσεις OUR...154 Σχήμα 4. 27: Αεριζόμενο μίγμα βιομάζας και λυμάτων στα 4 συστήματα για προσδιορισμό των κλασμάτων του COD της τροφής...156 Σχήμα 4. 28: Προσδιορισμός του OUR...156 Σχήμα 4. 29: Μίγμα βιομάζας, οξικού οξέος και νιτρικού αζώτου για προσδιορισμό της μέγιστης ταχύτητας απονιτροποίησης...157 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Σχήμα 5. 1: Πάγκος παρασκευής των μιγμάτων τροφοδοσίας...167 vii

Σχήμα 5. 2: Κλασματοποίηση εισερχόμενων συνθετικών λυμάτων...176 Σχήμα 5. 3: Διακύμανση του ολικού COD στην είσοδο και του διαλυτού COD στην έξοδο του συστήματος 4...187 Σχήμα 5. 4: Διακύμανση αμμωνιακού αζώτου στην είσοδο και στην έξοδο του συστήματος 3...187 Σχήμα 5. 5: Διακύμανση του δείκτη καθιζησιμότητας της ιλύος στο σύστημα 3...191 Σχήμα 5. 6: Διακύμανση του δείκτη καθιζησιμότητας της ιλύος στο σύστημα 4...191 Σχήμα 5. 7: Διακύμανση του ολικού COD στην είσοδο και του διαλυτού COD στην έξοδο του συστήματος 4...199 Σχήμα 5. 8: Διακύμανση αμμωνιακού αζώτου στην είσοδο και στην έξοδο του συστήματος 4...200 Σχήμα 5. 9: Διακύμανση του δείκτη καθιζησιμότητας της ιλύος στο σύστημα 3...204 Σχήμα 5. 10: Διακύμανση του δείκτη καθιζησιμότητας της ιλύος στο σύστημα 4...204 Σχήμα 5. 11: Διακύμανση της συγκέντρωσης του M. parvicella...205 Σχήμα 5. 12: Διακύμανση του ολικού COD στην είσοδο και του διαλυτού COD στην έξοδο του συστήματος 3...213 Σχήμα 5. 13: Διακύμανση αμμωνιακού αζώτου στην είσοδο και στην έξοδο του συστήματος 4...213 Σχήμα 5. 14: Διακύμανση του δείκτη καθιζησιμότητας της ιλύος στο σύστημα 3...216 Σχήμα 5. 15: Διακύμανση του δείκτη καθιζησιμότητας της ιλύος στο σύστημα 4...216 Σχήμα 5. 16: Διακύμανση της συγκέντρωσης του M. parvicella...218 Σχήμα 5. 17: Διακύμανση της συγκέντρωσης του M. parvicella στο σύστημα 3 κατά 2 η και 3 η περίοδο λειτουργίας...219 viii

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Πίνακας 2. 1: Επικρατέστεροι νηματοειδείς μικροοργανισμοί σε δείγματα ενεργού ιλύος διαφόρων χωρών...55 Πίνακας 2. 2: Επικρατέστεροι νηματοειδείς μικροοργανισμοί σε δείγματα αφρού διαφόρων χωρών...57 Πίνακας 2. 3: Συσχέτιση της οργανικής φόρτισης και της ελάχιστης απαιτούμενης συγκέντρωσης του διαλυμένου οξυγόνου για την αποφυγή προβλημάτων διόγκωσης της ιλύος λόγω ανάπτυξης νηματοειδών βακτηριδίων χαμηλής συγκέντρωσης διαλυμένου οξυγόνου...78 Πίνακας 2. 4: Τυπική σύνθεση ενός κυττάρου (Eikelboom 2000)...80 Πίνακας 2. 5: Κατά προσέγγιση σύσταση μερικών λιπών και ελαίων (McMurry, 1999)...108 Πίνακας 2. 6:Τα σημαντικότερα λιπαρά οξέα των βακτηρίων...111 Πίνακας 2. 7: Τυπικά χαρακτηριστικά αστικών λυμάτων (Metcalf & Eddy, 2003).123 Πίνακας 2. 8: Σύσταση συνθετικών λυμάτων (Boeije, 1999)...125 Πίνακας 2. 9: Σύσταση συνθετικών λυμάτων [Dir 88/303/EEC (OJL 133 1988)]...126 Πίνακας 2. 10: Σύσταση συνθετικών λυμάτων (Thongchai et al., 2003)...126 Πίνακας 2. 11: Σύσταση συνθετικών λυμάτων (Kositzi et al., 2004 )...126 Πίνακας 2. 12: Σύσταση συνθετικών λυμάτων (Hiraishi, 1998)...127 Πίνακας 2. 13: Σύσταση συνθετικών λυμάτων (Reddy και Bux, 2002)...127 Πίνακας 2. 14: Σύσταση συνθετικών λυμάτων (Malandra et al., 2000)...128 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Πίνακας 4. 1: Θέσεις αναλύσεων για κάθε σύστημα...143 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Πίνακας 5. 1: Κατανομή περιόδων...166 Πίνακας 5. 2: Σύσταση τροφοδοσίας στο σύστημα των λιπαρών οξέων...173 Πίνακας 5. 3: Σύσταση τροφοδοσίας στο σύστημα SBR...173 Πίνακας 5. 4: Ποιοτική και ποσοτική ανάλυση λιπαρών οξέων στην είσοδο των συστημάτων...174 Πίνακας 5. 5: Κλασματοποίηση του COD τροφοδοσίας των συστημάτων...176 Πίνακας 5. 6: Συντήρηση συστημάτων...178 Πίνακας 5. 7: Ολικά και πτητικά αιωρούμενα στερεά σε διάφορες θέσεις...179 ix

Πίνακας 5. 8: Λόγος πτητικών αιωρούμενων στερεών προς ολικά αιωρούμενα στερεά...180 Πίνακας 5. 9: Περίσσεια ιλύος w, παροχή εξόδου Q out και χρόνος παραμονής στερεών Θ c 181 Πίνακας 5. 10: Ολικό και διαλυτό COD σε διάφορες θέσεις...181 Πίνακας 5. 11: Σωματιδιακό COD προς πτητικά και ολικά αιωρούμενα στερεά...182 Πίνακας 5. 12: Οργανική φόρτιση...183 Πίνακας 5. 13: Αμμωνιακό και νιτρικό άζωτο...184 Πίνακας 5. 14: Απόδοση συστημάτων ως προς την απομάκρυνση οργανικού φορτίου...186 Πίνακας 5. 15: Απόδοση συστημάτων ως προς την απομάκρυνση της αμμωνίας...186 Πίνακας 5. 16: Ενδογενής και μέγιστη ταχύτητα αποξυγόνωσης...187 Πίνακας 5. 17: Ταχύτητες νιτροποίησης βάσει ισοζυγίου αμμωνιακού αζώτου...189 Πίνακας 5. 18: Ταχύτητα απονιτροποίησης βάσει ισοζυγίου ολικού αζώτου...190 Πίνακας 5. 19: Συντήρηση συστημάτων...193 Πίνακας 5. 20: Ολικά και πτητικά αιωρούμενα στερεά σε διάφορες θέσεις...194 Πίνακας 5. 21: Λόγος πτητικών αιωρούμενων στερεών προς ολικά αιωρούμενα στερεά...194 Πίνακας 5. 22: Περίσσεια ιλύος w, παροχή εξόδου Q out και χρόνος παραμονής στερεών Θ c...195 Πίνακας 5. 23: Ολικό και διαλυτό COD σε διάφορες θέσεις...195 Πίνακας 5. 24: Σωματιδιακό COD προς πτητικά και ολικά αιωρούμενα στερεά...196 Πίνακας 5. 25: Οργανική φόρτιση...196 Πίνακας 5. 26: Αμμωνιακό, νιτρικό και ολικό κατά Kjeldahl άζωτο...197 Πίνακας 5. 27: Σωματιδιακό άζωτο προς πτητικά και ολικά αιωρούμενα στερεά...198 Πίνακας 5. 28: Απόδοση συστημάτων ως προς την απομάκρυνση οργανικού φορτίου...198 Πίνακας 5. 29: Απόδοση συστημάτων ως προς την απομάκρυνση της αμμωνίας, του ΤΚΝ και του ολικού αζώτου...199 Πίνακας 5. 30: Ενδογενής και μέγιστη ταχύτητα αποξυγόνωσης...200 Πίνακας 5. 31: Ενδογενής και μέγιστη ταχύτητα απονιτροποίησης...200 Πίνακας 5. 32: Ταχύτητα νιτροποίησης...201 Πίνακας 5. 33: Ταχύτητα νιτροποίησης βάσει ισοζυγίου αμμωνιακού αζώτου...202 Πίνακας 5. 34: Ταχύτητα απονιτροποίησης βάσει ισοζυγίου ολικού αζώτου...202 x

Πίνακας 5. 35: Ποσοστό αζώτου προς απονιτροποίηση και προς κυτταρική σύνθεση...203 Πίνακας 5. 36: Συντήρηση συστημάτων...207 Πίνακας 5. 37: Ολικά και πτητικά αιωρούμενα στερεά σε διάφορες θέσεις...207 Πίνακας 5. 38: Λόγος πτητικών αιωρούμενων στερεών προς ολικά αιωρούμενα στερεά...208 Πίνακας 5. 39: Περίσσεια ιλύος w, παροχή εξόδου Q out και χρόνος παραμονής στερεών Θ c...209 Πίνακας 5. 40: Ολικό και διαλυτό COD σε διάφορες θέσεις...209 Πίνακας 5. 41: Σωματιδιακό COD προς πτητικά και ολικά αιωρούμενα στερεά...210 Πίνακας 5. 42: Οργανική φόρτιση...210 Πίνακας 5. 43: Αμμωνιακό, νιτρικό και ολικό κατά Kjeldahl άζωτο...211 Πίνακας 5. 44: Σωματιδιακό άζωτο προς πτητικά και ολικά αιωρούμενα στερεά...211 Πίνακας 5. 45: Απόδοση συστημάτων ως προς την απομάκρυνση οργανικού φορτίου...212 Πίνακας 5. 46: Απόδοση συστημάτων ως προς την απομάκρυνση της αμμωνίας, του ΤΚΝ και του ολικού αζώτου...212 Πίνακας 5. 47: Ενδογενής και μέγιστη ταχύτητα αποξυγόνωσης...214 Πίνακας 5. 48: Ενδογενής και μέγιστη ταχύτητα απονιτροποίησης...214 Πίνακας 5. 49: Ταχύτητα νιτροποίησης...214 Πίνακας 5. 50: Ταχύτητα νιτροποίησης βάσει ισοζυγίου αμμωνιακού αζώτου...215 Πίνακας 5. 51: Ταχύτητα απονιτροποίησης βάσει ισοζυγίου ολικού αζώτου...215 Πίνακας 5. 52: Ποσοστό αζώτου προς απονιτροποίηση και προς κυτταρική σύνθεση...215 xi

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1

Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή Το σύστημα ενεργού ιλύος είναι το συνηθέστερα χρησιμοποιούμενο και το πιο αποτελεσματικό σύστημα βιολογικής επεξεργασίας αστικών λυμάτων, όσον αφορά τόσο στην ποιότητα εκροής όσο και στην οικονομία του. Αναπτύχθηκε από τους Arden και Lockett στο Manchester της Αγγλίας στις αρχές του αιώνα, αλλά η ευρεία εφαρμογή του άρχισε μετά το 1940. Από τότε, η συνεχής εξέλιξη του οδήγησε σε αρκετές παραλλαγές του τυπικού συστήματος, που αύξησαν τις δυνατότητες εφαρμογής του. Σημαντικό κεφάλαιο στην ιστορική εξέλιξη του σχεδιασμού συστημάτων επεξεργασίας λυμάτων αποτέλεσε η χρήση ανοξικών και αναερόβιων αντιδραστήρων για τη βιολογική απομάκρυνση αζώτου και φωσφόρου χωρίς τη χρήση χημικών. Ένα μεγάλο τμήμα της έρευνας σε συστήματα ενεργού ιλύος, τη δεκαετία του 1980, στόχευσε στη διερεύνηση των περιβαλλοντικών εκείνων συνθηκών και των κλασμάτων της οργανικής ύλης που ευνοούν την ανάπτυξη βακτηρίων, τα οποία είναι υπεύθυνα για την απομάκρυνση του οργανικού άνθρακα, του αζώτου και του φωσφόρου (νιτροποιητές, ετεροτροφικοί απονιτροποιητές και πολυφωσφορικά βακτηρίδια). Ταυτόχρονα όμως, οι αναγκαίες αυτές συνθήκες που επιβάλλονται σε ένα σύστημα ενεργού ιλύος με στόχο την απομάκρυνση των θρεπτικών καθώς και η σύσταση των εισερχόμενων λυμάτων είναι δυνατό να ευνοήσουν και την ανάπτυξη άλλων μικροοργανισμών, οι οποίοι, κάτω από ορισμένες προϋποθέσεις, μπορεί να δράσουν ανασταλτικά στην εύρυθμη λειτουργία της εγκατάστασης. Ειδικότερα, η υπερβολική ανάπτυξη μίας ομάδας βακτηρίων που ονομάζονται νηματοειδή είναι πιθανόν να δημιουργήσει σημαντικά λειτουργικά προβλήματα σε συστήματα ενεργού ιλύος. Το σημαντικότερο από αυτά τα προβλήματα είναι το φαινόμενο της διόγκωσης της ιλύος, της παραγωγής δηλαδή ιλύος που καθιζάνει με αργούς ρυθμούς και παρουσιάζει μικρή συμπύκνωση. Συχνά όμως, παράλληλα με το φαινόμενο της διόγκωσης, παρουσιάζεται και το εξίσου σοβαρό πρόβλημα της δημιουργίας ενός μεγάλου στρώματος βιολογικού αφρού στην επιφάνεια των δεξαμενών αερισμού. Τα δύο αυτά φαινόμενα αποτελούν και τα σημαντικότερα προβλήματα που αντιμετωπίζει μεγάλο ποσοστό των εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων παγκοσμίως (40-50%). 2

Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή Η καταγραφή του Μ. parvicella ως επικρατέστερου νηματοειδούς μικροοργανισμού, η συμμετοχή του στην ανάπτυξη των φαινομένων διόγκωσης και αφρισμού καθώς και η αδυναμία όλων των μέχρι τώρα μεθόδων που έχουν εφαρμοσθεί να οδηγήσουν σε επαρκή έλεγχο της ανάπτυξής του κατατάσσουν το μικροοργανισμό αυτό ερευνητικά στην κορυφή των νηματοειδών βακτηρίων. Τα αποτελέσματα των μέχρι σήμερα ερευνών σχετικά με τις μεταβολικές και κινητικές ιδιότητες του M. parvicella έχουν οδηγήσει σε σύγχυση. Υπάρχουν αναφορές που υποδεικνύουν την προτίμησή του στο εύκολα βιοδιασπάσιμο κλάσμα της οργανικής ύλης και άλλες που συνδέουν την ανάπτυξη του με την πρόσληψη και χρησιμοποίηση του δύσκολα βιοδιασπάσιμου κλάσματος του οργανικού άνθρακα. Πολύ λίγα επίσης είναι γνωστά για την επίδραση του καθεστώτος ροής στην ανάπτυξη του M. parvicella. Η ανάπτυξη νηματοειδών μικροοργανισμών μπορεί να αποφευχθεί σε πολλές περιπτώσεις με το σχεδιασμό βιοαντιδραστήρων ως συστήματα εμβολοειδούς ροής, με το σχεδιασμό δηλαδή συστημάτων που εμφανίζουν υψηλή κλίση τροφής (συστήματα ενεργού ιλύος με μεγάλη διαμερισματοποίηση του βιοαντιδραστήρα, μικροί βιοαντιδραστήρες σε σειρά, SBR). Στην περίπτωση όμως του νηματοειδούς μικροοργανισμού M. parvicella, πολλές ερευνητικές εργασίες υποδεικνύουν υψηλή ανάπτυξη του μικροοργανισμού αυτού ακόμα και σε συστήματα με μεγάλη κλίση τροφής. Αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας αποτέλεσε η πειραματική διερεύνηση της ανάπτυξης του M. parvicella σε δύο διαφορετικούς τύπους συστημάτων με όμοια λειτουργικά χαρακτηριστικά, σε ένα σύστημα συνεχούς ροής με προαπονιτροποίηση και σε ένα σύστημα με αντιδραστήρα εναλλασσόμενων κύκλων λειτουργίας (SBR) με ανοξική και αερόβια φάση αντίδρασης. Για το σκοπό αυτό, προσομοιώθηκαν τα δύο αυτά συστήματα με διατάξεις εργαστηριακής κλίμακας, οι οποίες τροφοδοτούνταν με συνθετικά λύματα. Η επιλογή της σύστασης της τροφής έγινε με στόχο τη βέλτιστη ανάπτυξη του M. parvicella. Έτσι, η τροφή αποτελούνταν μεταξύ άλλων και από ελαϊκό οξύ σε μεγάλο ποσοστό (22%), το οποίο ευνοεί σημαντικά την ανάπτυξη του εν λόγω μικροοργανισμού βάσει της πλειοψηφίας των ερευνητικών εργασιών. Οι περιβαλλοντικές συνθήκες επιλέχθηκαν, έτσι ώστε να ευνοείται η ανάπτυξη του M. parvicella. Για τον ίδιο λόγο επιλέχθηκε επίσης η λειτουργία των συστημάτων σε υψηλό χρόνο παραμονής στερεών. 3

Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή Παράλληλα με τα συστήματα αυτά λειτουργούσαν δύο επιπλέον συστήματα συνεχούς ροής σε σύγκριση με το προαναφερόμενο σύστημα συνεχούς ροής. Τα τρία αυτά συστήματα είχαν διαφορετική σύσταση τροφοδοσίας και στόχος στην περίπτωση αυτή ήταν η διερεύνηση της σύστασης της τροφής που ευνοεί περισσότερο την ανάπτυξη του M. parvicella. Τα αποτελέσματα της έρευνας παρουσιάζονται αναλυτικά σε άλλη μεταπτυχιακή εργασία (Μίσσα, 2005) και συμπληρώνουν τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας όσον αφορά στη συσχέτιση της ανάπτυξης του μικροοργανισμού και της σύστασης της τροφής. Στο Κεφάλαιο 2 της εργασίας πραγματοποιείται μία αναλυτική βιβλιογραφική ανασκόπηση σχετικά με το θέμα της παρούσας έρευνας. Αρχικά, γίνεται αναφορά στα δύο συστήματα ενεργού ιλύος που προσομοιώθηκαν για τις ανάγκες της πειραματικής έρευνας, που είναι το σύστημα συνεχούς ροής με προαπονιτροποίηση νιτροποίηση και αυτό των εναλλασσόμενων κύκλων λειτουργίας (SBR). Στη συνέχεια, ακολουθεί μια αναλυτική βιβλιογραφική ανασκόπηση σχετικά με τα φαινόμενα της νηματοειδούς διόγκωσης και του αφρισμού. Ειδικότερα, περιγράφονται οι μηχανισμοί σχηματισμού των βιοκροκίδων, η συσχέτισή τους με την ύπαρξη νηματοειδών μικροοργανισμών στη βιοκοινότητα ενός συστήματος ενεργού ιλύος καθώς και τα σημαντικότερα προβλήματα διαχωρισμού των στερεών από τα επεξεργασμένα λύματα. Ακολουθεί παρουσίαση της κατηγορίας των νηματοειδών μικροοργανισμών και των αποτελεσμάτων των ερευνών καταγραφής τους ανά τον κόσμο. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην περιγραφή των μορφολογικών και μεταβολικών χαρακτηριστικών του Μ. parvicella, ο οποίος ανήκει στην κατηγορία των νηματοειδών μικροοργανισμών χαμηλής οργανικής φόρτισης. Τέλος, αναλύονται οι μη-ειδικές και ειδικές μέθοδοι ελέγχου των φαινομένων της νηματοειδούς διόγκωσης και αφρισμού που έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα. Στο κεφάλαιο της βιβλιογραφικής ανασκόπησης γίνεται επίσης περιγραφή των δομικών οργανικών μορίων (λίπη και έλαια, υδατάνθρακες, πρωτεΐνες), από τα οποία αποτελούνται τα συνθετικά λύματα που χρησιμοποιήθηκαν για τη τροφοδοσία των συστημάτων ενεργού ιλύος. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στα λίπη και στα έλαια και συγκεκριμένα στα τριγλυκερίδια και στα λιπαρά οξέα. Επίσης, πραγματοποιείται συνοπτική μελέτη του τρόπου με τον οποίο μεταβολίζουν οι μικροοργανισμοί τα μόρια αυτά. Τέλος, στο κεφάλαιο αυτό δίνεται μια συνοπτική περιγραφή της σύστασης συνθετικών λυμάτων που έχουν χρησιμοποιηθεί στη διεθνή βιβλιογραφία. 4

Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται ο στόχος της μεταπτυχιακής εργασίας, που συνίσταται στη μελέτη της ανάπτυξης του M. parvicella σε δύο διαφορετικούς τύπους συστημάτων με όμοια λειτουργικά χαρακτηριστικά και καθορίζονται τα επιμέρους θέματα που μελετήθηκαν κατά τη διάρκεια της πειραματικής έρευνας. Το Κεφάλαιο 4 περιλαμβάνει αναλυτική περιγραφή των συστημάτων ενεργού ιλύος που προσομοιώθηκαν στο εργαστήριο και των πειραματικών μεθόδων που εφαρμόστηκαν κατά τη διάρκεια της έρευνας. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της πειραματικής έρευνας, ενώ παράλληλα γίνεται η επεξεργασία και η αξιολόγησή τους ανά περίοδο λειτουργίας των συστημάτων. Το Κεφάλαιο αυτό χωρίζεται σε τέσσερις ενότητες. Η πρώτη ενότητα περιλαμβάνει την παρουσίαση της σύστασης της συνθετικής τροφής, με την οποία τροφοδοτούνταν τα συστήματα. Οι τρεις επόμενες αντιπροσωπεύουν αντίστοιχα τρεις περιόδους, οι οποίες χαρακτηρίζονται από διαφορετική κάθε φορά βιομάζα, όπως επίσης και διαφορετικούς χρόνους παραμονής στερεών. Τέλος, το Κεφάλαιο 6 περιλαμβάνει μία συνοπτική παρουσίαση των συμπερασμάτων της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας. 5

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ 6

Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική Ανασκόπηση 2.1 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΕΡΓΟΥ ΙΛΥΟΣ ΜΕ ΕΜΦΑΣΗ ΣΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΟΗΣ 2.1.1 Εισαγωγή Το σύστημα της ενεργού ιλύος είναι το συνηθέστερα χρησιμοποιούμενο σύστημα βιολογικής επεξεργασίας λυμάτων. Αναπτύχθηκε αρχικά από τους Arden και Lockett στο Manchester της Αγγλίας στις αρχές του αιώνα, αλλά η ευρεία εφαρμογή του άρχισε μετά το 1940. Από τότε η συνεχής εξέλιξη του συστήματος οδήγησε σε αρκετές παραλλαγές του τυπικού συστήματος που αύξησαν τις δυνατότητες εφαρμογής του (Ανδρεαδάκης, 1986). Ο πρωταρχικός στόχος ενός συστήματος ενεργού ιλύος είναι η διάσπαση και απομάκρυνση του οργανικού φορτίου των λυμάτων με μηχανισμούς βιολογικής οξείδωσης και σύνθεσης, ενώ στην απομάκρυνση τόσο των οργανικών (βιοδιασπάσιμων και μη) όσο και των ανόργανων στερεών συμβάλλουν και οι μηχανισμοί βιοπροσρόφησης. Στις διάφορες παραλλαγές του, το σύστημα ενεργού ιλύος έχει τη δυνατότητα για σχεδόν πλήρη βιολογική απομάκρυνση των θρεπτικών των λυμάτων, δηλαδή του αζώτου και του φωσφόρου, καθώς και για την παραγωγή σταθεροποιημένης ιλύος (Ανδρεαδάκης, 1986). Σε ένα τυπικό σύστημα ενεργού ιλύος τα οργανικά συστατικά των λυμάτων απομακρύνονται σε υψηλά ποσοστά, που κυμαίνονται από 80-95%. Στα ίδια περίπου ποσοστά απομακρύνονται τα αιωρούμενα συστατικά και οι μικροοργανισμοί των λυμάτων, ενώ μικρός είναι ο βαθμός απομάκρυνσης τόσο του αζώτου όσο και του φωσφόρου (15-20%) (Ανδρεαδάκης, 1996). Η εγκατάσταση ενεργού ιλύος αποτελείται από δύο κύρια μέρη, το βιολογικό αντιδραστήρα και την ακολουθούσα δεξαμενή τελικής καθίζησης. Τα λύματα έρχονται σε επαφή με ένα μίγμα μικροοργανισμών (βιομάζα), που βρίσκεται με τη μορφή αιωρούμενων συσσωματωμάτων, σε μια αεριζόμενη δεξαμενή και σε καθεστώς πλήρους μίξης. Τα αιωρούμενα και κολλοειδή στερεά απομακρύνονται ταχύτατα από την υγρή φάση καθώς προσροφώνται και συσσωματώνονται με τους αιωρούμενους μικροοργανισμούς. Στη συνέχεια, με τη βοήθεια εξωκυτταρικών 7

Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική Ανασκόπηση υδρολυτικών ενζύμων, τα βιοδιασπάσιμα οργανικά στερεά διασπώνται σε απλές διαλυμένες οργανικές ενώσεις, οι οποίες μαζί με τις αρχικές διαλυμένες οργανικές ουσίες των λυμάτων διαπερνούν την περικυτταρική των μικροοργανισμών και, αφού βρεθούν στο εσωτερικό των κυττάρων, είναι διαθέσιμες για τις διαδικασίες του μεταβολισμού (Bitton, 1994). Κατά τον αερόβιο μεταβολισμό ένα ποσοστό των οργανικών ουσιών διασπάται βιοχημικά σε ανόργανες ενώσεις και η ενέργεια που εκλύεται από τις αντιδράσεις αυτές χρησιμοποιείται από τους μικροοργανισμούς για τις ανάγκες τους και κυρίως για τη σύνθεση πρωτοπλάσματος. Κατά τη σύνθεση οι μικροοργανισμοί στην ουσία μετατρέπουν τις νεκρές οργανικές ουσίες σε ζωντανή οργανική ύλη. Σχηματικά η διεργασία του μεταβολισμού παριστάνεται στο Σχήμα 2.1 (Ανδρεαδάκης, 1986). F o F F 1 Μικροοργανισμοί Χ+ δημιουργούμενο ΔΧ 1 /Δt- ΔΧ 2 /Δt λόγω φθοράς σύνθεση +Ο 2 φθορά (θάνατος, ενδογενής αναπνοή) F 2 οξείδωση CO 2 + H 2 O+ ενέργεια Σχήμα 2. 1: Αερόβιος μεταβολισμός μικροοργανισμών Μετά τη δεξαμενή αερισμού το μίγμα λυμάτων, μικροοργανισμών και προσροφημένων αδρανών στερεών, που ονομάζεται ανάμικτο υγρό, εισέρχεται στη δεξαμενή τελικής καθίζησης, που αποτελεί τη δεύτερη βασική μονάδα του συστήματος ενεργού ιλύος. Στη δεξαμενή αυτή γίνεται ο με βαρύτητα διαχωρισμός των μικροοργανισμών και των προσροφημένων στερεών (βιοκροκίδων) από τη μη χρησιμοποιηθείσα τροφή F. Η τελευταία, με υπερχείλιση των επεξεργασμένων λυμάτων, οδηγείται προς περαιτέρω επεξεργασία ή διάθεση στον τελικό αποδέκτη. Ένα μέρος των στερεών από τον πυθμένα της δεξαμενής τελικής καθίζησης επανακυκλοφορούνται στη δεξαμενή αερισμού με άντληση, έτσι ώστε να έρθουν σε επαφή με καινούργια λύματα. Η υπόλοιπη περίσσεια ιλύς απομακρύνεται από το σύστημα προς τα έργα επεξεργασίας της ιλύος. Με τις παροχές της περίσσειας ιλύος 8

Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική Ανασκόπηση και της επανακυκλοφορίας ρυθμίζεται η συγκέντρωση των μικροοργανισμών στον αντιδραστήρα. Η συγκέντρωση αυτή παραμένει σταθερή, καθώς η ποσότητα ιλύος που απομακρύνεται από το σύστημα ως περίσσεια ιλύς αναπληρώνεται από ίση ποσότητα μικροοργανισμών που προκύπτει από τη σύνθεση νέας μικροβιακής μάζας (Ανδρεαδάκης, 1996; Bitton, 1994). Βασικό κριτήριο για το σχεδιασμό ενός συστήματος ενεργού ιλύος είναι η οργανική φόρτιση σε όρους kg BOD/ kg στερεών ανάμικτου υγρού και ημέρα, ή εναλλακτικά ο χρόνος παραμονής στερεών Θ c. Οι δύο παράμετροι συνδέονται μεταξύ τους και ανάλογα με τις τιμές που λαμβάνουν καθορίζουν σε ποια περιοχή ανάπτυξης βακτηρίων θα λειτουργεί το σύστημα (λογαριθμική ανάπτυξη, στασιμότητα, ενδογενής αναπνοή)- δηλαδή τον τύπο του συστήματος (σύστημα υψηλής φόρτισης, τυπικό σύστημα, σύστημα παρατεταμένου αερισμού)- και την απόδοσή του (Ανδρεαδάκης, 1996; Βλυσίδης, 2003). 2.1.2 Η σημασία της Δεξαμενής Τελικής Καθίζησης Παρά το γεγονός ότι οι βιολογικές διεργασίες μέσω των οποίων επιτυγχάνεται η μείωση του ρυπαντικού φορτίου επιτελούνται στο βιολογικό αντιδραστήρα του συστήματος, η δεξαμενή τελικής καθίζησης αποτελεί τη μονάδα που ανάλογα με την απόδοσή της καθορίζει την ποιότητα της τελικής εκροής (Ανδρεαδάκης, 1996). Ο ρόλος της δεξαμενής τελικής καθίζησης είναι: να επιτρέπει την καθίζηση της βιομάζας και το διαχωρισμό της από τα επεξεργασμένα λύματα, τα οποία διαυγασμένα και κατά το δυνατόν απαλλαγμένα από αιωρούμενα στερεά, υπερχειλίζουν από τη δεξαμενή. Για να κατανοηθεί η σημασία της διαύγασης αρκεί να αναφερθεί ότι από το συνολικό BOD 5 στην έξοδο ενός συστήματος ενεργού ιλύος μόνο ένα μικρό ποσοστό της τάξεως του 10-20% ή και μικρότερο αντιστοιχεί στις διαλυμένες οργανικές ενώσεις, ενώ το υπόλοιπο οφείλεται στην παρουσία αιωρούμενων στερεών, δηλαδή στην παρουσία βακτηρίων ή μικροκροκίδων που δεν καθιζάνουν. 9

Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική Ανασκόπηση να δίνει τη δυνατότητα για επαρκή συμπύκνωση της βιομάζας, ώστε να είναι εύκολη και αποτελεσματική η επαναφορά της στο βιολογικό αντιδραστήρα. Και στο σημείο αυτό αξίζει να αναφερθεί, ότι ενδεχόμενη επιδείνωση των χαρακτηριστικών συμπύκνωσης της ιλύος μπορεί πολύ γρήγορα και παρά τις οποιεσδήποτε περιορισμένης αποτελεσματικότητας ρυθμίσεις της παροχής ανακυκλοφορίας να οδηγήσει σε ανύψωση της στάθμης ιλύος μέχρι την επιφάνεια της δεξαμενής και έτσι σε διαφυγή της με την τελική εκροή (Ανδρεαδάκης, 1996). Ο σχεδιασμός των δεξαμενών τελικής καθίζησης πρέπει να εξυπηρετεί και τους δύο αυτούς στόχους. Εκ πρώτης όψεως δίνεται η εντύπωση ότι με εφαρμογή της θεωρίας καθίζησης διακριτών σωματιδίων ή ακόμα και με τη συνθετότερη θεωρία της ζωνικής καθίζησης, είναι σχετικά απλή η προσομοίωση των υπεισερχόμενων διαδικασιών. Όπως όμως έδειξαν επανειλημμένες προσπάθειες πειραματικής επαλήθευσης, οι θεωρητικές προβλέψεις, ενώ είναι επιτυχείς για την περίπτωση ομογενών ανόργανων αιωρημάτων, δεν περιγράφουν ικανοποιητικά την καθίζηση των βιοκροκίδων της ενεργού ιλύος, λόγω της ιδιαίτερα σημαντικής επίδρασης που ασκούν τόσο στη διαύγαση όσο και στη συμπύκνωση η μορφολογία και τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά τους. Ενδεικτικό της σημασίας αλλά και της περιορισμένης κατανόησης των διαδικασιών καθίζησης της ιλύος αποτελεί η συχνή αναθεώρηση των κριτηρίων σχεδιασμού και μάλιστα προς συντηρητικότερες κατευθύνσεις (Andreadakis, 1993). Η μορφολογία και τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των βιοκροκίδων επιδρούν με καθοριστικό τρόπο τόσο στη διαύγαση όσο και στη συμπύκνωση της ιλύος. Τα χαρακτηριστικά όμως αυτά, που παρουσιάζουν μεγάλες διαφοροποιήσεις κατά περίπτωση, καθορίζονται με τη σειρά τους από τις συνθήκες που επικρατούν στο βιολογικό αντιδραστήρα, οι οποίες επηρεάζουν τη διαφορική ανάπτυξη των διαφόρων κατηγοριών μικροοργανισμών καθώς και τον τρόπο συσσωμάτωσής τους με τη μορφή των βιοκροκίδων. Αξίζει να σημειωθεί ότι το φαινόμενο της συσσωμάτωσης των μικροοργανισμών είναι θεμελιώδες στο σύστημα της ενεργού ιλύος, δεδομένου ότι τα διάσπαρτα βακτήρια, λόγω του μικρού τους μεγέθους, δεν καθιζάνουν ακόμα 10

Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική Ανασκόπηση και σε συνθήκες πλήρους ηρεμίας και η ενδεχόμενη ανάπτυξή τους σε μια τέτοια διάσπαρτη μορφή οδηγεί σε πλήρη αστοχία στο σύστημα (Ανδρεαδάκης, 1996). Από τα παραπάνω γίνεται φανερό ότι οποιαδήποτε προσπάθεια περιγραφής ή προσομοίωσης των διαδικασιών καθίζησης της ιλύος δεν μπορεί να είναι ανεξάρτητη από την περιγραφή των διαδικασιών στο βιολογικό αντιδραστήρα και οι δύο μονάδες θα πρέπει για το σκοπό αυτό να εξετάζονται ως ενιαίο σύστημα. 2.1.3 Διαφοροποίηση του συστήματος σε συνάρτηση με την ηλικία της ιλύος Συχνά η περιγραφή των βιολογικών αντιδραστήρων γίνεται με διάκριση σε επιμέρους κατηγορίες, π. χ. υψηλής φόρτισης, μέσης φόρτισης, παρατεταμένος αερισμός, οξειδωτικές τάφροι κλπ, με κατά κανόνα ασαφή ή ανόμοια κριτήρια διάκρισης που συχνά δημιουργούν σύγχυση αντί της επιδιωκόμενης συστηματικότερης και πληρέστερης κατανόησης (Ανδρεαδάκης, 1996). Με εξαίρεση την απονιτροποίηση και τη βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου που προϋποθέτουν συχνά πρόσθετες μονάδες και διαφορετικές οδούς μεταβολισμού, η διαφοροποίηση των υπολοίπων συστημάτων δεν αποτελεί τίποτε περισσότερο από τη διαφοροποίηση της φόρτισης του συστήματος ή του χρόνου παραμονής στερεών στο σύστημα. Έχει κατά συνέπεια ιδιαίτερη σημασία η κατανόηση της λειτουργικής αυτής παραμέτρου στην εν γένει συμπεριφορά του συστήματος ενεργού ιλύος (Ανδρεαδάκης, 1996). Η πιο προφανής επίδραση αφορά στην ποσότητα βιομάζας και στο βαθμό απόδοσης του συστήματος. Ο χρόνος παραμονής στερεών είναι και χρόνος παραμονής βιομάζας και κατά συνέπεια αύξηση του χρόνου παραμονής συνεπάγεται αύξηση της διαθέσιμης στο σύστημα βιομάζας και επομένως μείωση του οργανικού φορτίου. Το αντίθετο συμβαίνει με τη μείωση του χρόνου παραμονής της ιλύος. Καθώς μια δεδομένη ποσότητα λυμάτων υφίσταται επεξεργασία από μεγαλύτερη ή μικρότερη ποσότητα βιομάζας, είναι εύκολα κατανοητή η αντίστοιχη αύξηση ή μείωση του βαθμού απόδοσης της εγκατάστασης (Ανδρεαδάκης, 1996). 11

Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Πέραν όμως αυτής της επίδρασης, η μεταβολή του χρόνου παραμονής των στερεών (ή της βιομάζας) επιφέρει και άλλες σημαντικές αλλαγές στη λειτουργία του συστήματος. Ο χρόνος παραμονής των στερεών είναι αντιστρόφως ανάλογος προς την καθαρή ή φαινομενική ταχύτητα ανάπτυξης των μικροοργανισμών, η οποία ορίζεται ως η ταχύτητα ανάπτυξης που παρατηρείται αφού ληφθεί υπόψη η μείωση της βιομάζας λόγω φθοράς της (θάνατος, ενδογενής αναπνοή, κατανάλωση από ανώτερους οργανισμούς). Έτσι, ο χρόνος παραμονής στερεών καθορίζει τη φάση ανάπτυξης των μικροοργανισμών, δηλαδή τη φυσιολογία τους, γεγονός που έχει σημαντική επίδραση στον τρόπο που τα βακτήρια συσσωματώνονται σε βιοκροκίδες. Έχει παρατηρηθεί ότι μικροί χρόνοι παραμονής (1-2 ημέρες), που αντιστοιχούν σε μεγάλες ταχύτητες ανάπτυξης, εμποδίζουν τη βιοκροκίδωση και ευνοούν τη διάσπαρτη κροκίδωση των μικροοργανισμών. Αυτό συμβαίνει επειδή οι μικροοργανισμοί, υπό συνθήκες αφθονίας τροφής, δεν υφίστανται περιβαλλοντική πίεση για συσσωμάτωση, που στόχος της είναι η υπό συνθήκες περιορισμένης τροφής ευκολότερη εξασφάλιση της τροφής μέσω διαδικασιών προσρόφησης της στις βιοκροκίδες. Αντίθετα έχει παρατηρηθεί ότι πολύ μεγάλοι χρόνοι παραμονής (μεγαλύτεροι από 20 με 30 ημέρες) έχουν ως συνέπεια τη διάσπαση των βιοκροκίδων λόγω της σχεδόν πλήρους έλλειψης τροφής, γεγονός που αναγκάζει τους μικροοργανισμούς να καταναλώνουν τα εξωκυτταρικά πολυμερή, τα οποία αποτελούν το συνδετικό ιστό των κροκίδων (Ανδρεαδάκης, 1993). Η ηλικία της ιλύος καθορίζει τη διαθέσιμη στο σύστημα ποσότητα τροφής και με τον τρόπο αυτό επιδρά στον ανταγωνισμό των διαφόρων μικροοργανισμών. Η δυνατότητα για πρόσληψη τροφής από ένα μικροοργανισμό είναι ως γνωστό συνάρτηση και της διαθέσιμης τροφής. Η συνάρτηση αυτή εκφράζεται μέσω διαφόρων κινητικών με πιο συνηθισμένη την κινητική Monod. Στο βαθμό που η συνάρτηση διαφοροποιείται ανάλογα με το είδος του μικροοργανισμού, η αυξομείωση της διαθέσιμης ποσότητας τροφής δεν έχει ως συνέπεια απλώς την αυξομείωση της ταχύτητας ανάπτυξης της βιομάζας στο σύνολό της αλλά τη διαφοροποίηση της σχετικής ταχύτητας ανάπτυξης κάποιων κατηγοριών ως προς τις άλλες κατηγορίες. Με την 12

Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική Ανασκόπηση αλλαγή δηλαδή του χρόνου παραμονής στερεών και της διαθέσιμης ποσότητας τροφής επηρεάζεται η διαφορική ανάπτυξη των μικροοργανισμών και κατά συνέπεια η σύσταση της βιομάζας. Η λειτουργία αυτή είναι ιδιαίτερα σημαντική για την εξέταση των νηματοειδών μικροοργανισμών, η παρουσία των οποίων, όταν είναι σε αξιόλογες ποσότητες, επηρεάζει δυσμενώς την καθιζησιμότητα της ενεργού ιλύος (Wanner, 1994). Η ηλικία της ιλύος καθορίζει την ελάχιστη ταχύτητα ανάπτυξης ενός μικροοργανισμού, η οποία απαιτείται για την επιβίωσή του στο σύστημα. Ένας μικροοργανισμός που αναπτύσσεται με ταχύτητα μικρότερη του αντίστροφου του χρόνου παραμονής στερεών δεν μπορεί να επιβιώσει στο σύστημα. Στην περίπτωση ενός ετεροτροφικού μικροοργανισμού η δυνατότητα ανάπτυξης με ταχύτητα μεγαλύτερη του αντίστροφου του χρόνου παραμονής στερεών δε συνεπάγεται αναγκαστικά την επιβίωσή του στο σύστημα, καθώς η επιβίωση εξαρτάται και από τις σχετικές ταχύτητες ανάπτυξης όλων των κατηγοριών μικροοργανισμών που ανταγωνίζονται για την ίδια περιοριστική τροφή, τον οργανικό άνθρακα. Ωστόσο, στην περίπτωση των αυτοτροφικών οργανισμών που προκαλούν τη νιτροποίηση, καθώς αυτοί δε βρίσκονται σε ανταγωνισμό με τα ετεροτροφικά βακτήρια, η παραμονή τους στο σύστημα είναι μόνο συνάρτηση του χρόνου παραμονής στερεών και η επιβίωση τους στο σύστημα, ακόμα και σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις, είναι δυνατή στο βαθμό που η ταχύτητα ανάπτυξής τους υπερβαίνει το αντίστροφο του χρόνου παραμονής στερεών και ανεξάρτητη από τις ταχύτητες ανάπτυξης των ετεροτροφικών μικροοργανισμών. Χαρακτηριστικό των νιτροποιητικών βακτηρίων είναι η μικρή ταχύτητα ανάπτυξης σε σύγκριση με την ταχύτητα ανάπτυξης των ετεροτροφικών μικροοργανισμών και η έντονη εξάρτησή τους από τη θερμοκρασία. Κατά συνέπεια η διατήρηση νιτροποιητών στο σύστημα ενεργού ιλύος προϋποθέτει την εφαρμογή επαρκώς μεγάλου χρόνου παραμονής στερεών ιδίως όταν η θερμοκρασία των λυμάτων είναι χαμηλή. Λόγω της χαμηλής ταχύτητας ανάπτυξης και του μικρού συντελεστή μετατροπής τροφής σε βιομάζα, η αναλογία των νιτροποιητών στη συνολική βιομάζα είναι πολύ μικρή (5% περίπου) και επομένως η παρουσία τους δεν επηρεάζει τα χαρακτηριστικά της βιομάζας (π. χ. μορφολογία και καθιζησιμότητα των κροκίδων) (Ανδρεαδάκης, 1996). 13

Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Ο χρόνος παραμονής στερεών καθορίζει το χρόνο παραμονής των μικροοργανισμών στο σύστημα και επομένως παρέχει τη δυνατότητα για μεγαλύτερη (μεγάλα Θ c ) ή μικρότερη (μικρά Θ c ) φθορά των μικροοργανισμών. Με τον τρόπο αυτό, επηρεάζονται τα ποσοτικά και ποιοτικά χαρακτηριστικά περίσσειας της ιλύος, η οποία είναι λιγότερη και πιο σταθεροποιημένη, όταν η βιομάζα έχει υποστεί μεγαλύτερη φθορά, και περισσότερη με μικρό βαθμό σταθεροποίησης στην αντίθετη περίπτωση (Ανδρεαδάκης, 1996). 2.1.4 Σύστημα ενεργού ιλύος για απομάκρυνση οργανικού άνθρακα Το σύστημα αυτό, συχνά αναφερόμενο ως συμβατικό ή τυπικό σύστημα, επιδιώκει μόνο την επαρκή απομάκρυνση του οργανικού φορτίου χωρίς να στοχεύει σε αξιόλογη μείωση των θρεπτικών συστατικών ή τη σταθεροποίηση της περίσσειας ιλύος και βασικά αποτελείται από μία δεξαμενή αερισμού και μία δεξαμενή τελικής καθίζησης (Σχήμα 2.2). Σχήμα 2. 2: Σύστημα ενεργού ιλύος για απομάκρυνση οργανικού άνθρακα Η συγκέντρωση του οργανικού άνθρακα στην εκροή μπορεί να διαχωριστεί σε σωματιδιακό και σε διαλυμένο οργανικό άνθρακα. Ο σωματιδιακός οργανικός άνθρακας οφείλεται στην ατελή λειτουργία της δεξαμενής τελικής καθίζησης και στη διαφυγή μικροοργανισμών και κροκίδων με την τελική εκροή. Από εκτεταμένες παρατηρήσεις έχει βρεθεί ότι σε ένα γραμμάριο αιωρούμενων στερεών στην έξοδο (SS) αντιστοιχούν περίπου ένα γραμμάριο COD και 0,5 με 0,7 γραμμάρια BOD 5 (Ε.Μ.Π, 1996). Από αυτή την παρατήρηση προκύπτει το συμπέρασμα, ότι ανεξάρτητα της οργανικής φόρτισης ή του Θ c του βιολογικού αντιδραστήρα και στο βαθμό που είναι αδύνατος ο 14

Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική Ανασκόπηση τέλειος διαχωρισμός των κροκίδων από την εκρέουσα υγρή φάση στη δεξαμενή τελικής καθίζησης, θα υπάρχει πάντα μια συγκέντρωση COD ή BOD 5 στην εκροή σε συσχετισμό με τη συγκέντρωση των αιωρούμενων στερεών. Η συγκέντρωση αυτή εξαρτάται από το σχεδιασμό της δεξαμενής τελικής καθίζησης και έμμεσα από τις συνθήκες λειτουργίας στο βιολογικό αντιδραστήρα και είναι ανεξάρτητη από το χρόνο παραμονής στερεών. Υπό ομαλές συνθήκες (καλή κροκίδωση, απουσία μεγάλων ποσοτήτων νηματοειδών μικροοργανισμών, καλοσχεδιασμένη δεξαμενή καθίζησης) μπορεί να αναμένονται μέσες συγκεντρώσεις αιωρούμενων στερεών στο διάστημα 10-30 mg/l, με μία τιμή που να αντιστοιχεί στο 90% των δειγμάτων περίπου 25 mg/l. Επομένως το ανεξάρτητο της φόρτισης αναμενόμενο COD και BOD 5 των επεξεργασμένων λυμάτων είναι περίπου 25 mg/l και 15 mg/l αντίστοιχα. Στις συγκεντρώσεις αυτές προστίθεται το διαλυμένο διασπάσιμο COD ή BOD 5, που δεν έχει υποστεί επεξεργασία και εξαρτάται από την οργανική φόρτιση του βιολογικού αντιδραστήρα (μικρότερο έως και μηδενικό για χαμηλές φορτίσεις και μεγαλύτερο για υψηλές φορτίσεις). Στην περίπτωση του COD θα πρέπει να προστεθεί και το αδρανές COD των λυμάτων καθώς και το παραγόμενο αδρανές COD κατά το μεταβολισμό των μικροοργανισμών. Το συνολικό αυτό αδρανές COD διαφοροποιείται ανάλογα κυρίως με τα χαρακτηριστικά των λυμάτων, έχει βρεθεί όμως ότι για τις ελληνικές συνθήκες κυμαίνεται συνήθως από 40-60 mg/l περίπου (Ανδρεαδάκης, 1996). Η Οδηγία της Ευρωπαϊκής Ένωσης 91/271 επιβάλλει μέγιστη συγκέντρωση BOD 5 στην έξοδο για το 90% των δειγμάτων τα 25 mg/l. Με δεδομένο ότι το σωματιδιακό BOD 5 είναι περίπου 15 mg/l, η Οδηγία υποδεικνύει ένα σχεδιασμό βιολογικού αντιδραστήρα που να επιτυγχάνει μέγιστη συγκέντρωση διαλυμένου BOD 5 στην έξοδο ίσο με 10 mg/l. Η απαίτηση αυτή οδηγεί στη διατήρηση ενός χρόνου παραμονής των στερεών ίσο με 7-8 ημέρες, που μπορεί να οδηγήσει τις περισσότερες φορές -στον ελληνικό τουλάχιστον χώρο- σε πλήρη νιτροποίηση. Έτσι, λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που επικρατούν, παρουσιάζονται συχνά σοβαρά λειτουργικά προβλήματα λόγω ανεξέλεγκτης απονιτροποίησης στη δεξαμενή τελικής καθίζησης (Ανδρεαδάκης, 1996; Οδηγία του Συμβουλίου, 91/271/ΕΟΚ). Για την αποφυγή της απονιτροποίησης θα πρέπει να αυξηθεί η οργανική φόρτιση του συστήματος εις βάρος φυσικά της δυνατότητας επίτευξης των ορίων της Οδηγίας 15

Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική Ανασκόπηση 91/271 για τα όρια του BOD 5, κάτι που θα μπορούσε να γίνει αποδεκτό μόνο όταν η διάθεση γίνεται σε λιγότερο ευαίσθητους αποδέκτες. Η απαιτούμενη για την αποφυγή της νιτροποίησης φόρτιση είναι αρκετά υψηλή, ιδιαίτερα την περίοδο του καλοκαιριού και οδηγεί σε προβλήματα βιοκροκίδωσης των μικροοργανισμών (Ανδρεαδάκης, 1996; Οδηγία του Συμβουλίου, 91/271/ΕΟΚ). Είναι επομένως φανερό ότι στον ελληνικό χώρο ένα σύστημα απομάκρυνσης οργανικού άνθρακα γίνεται αναγκαστικά και σύστημα νιτροποίησης με όλες τις πρόσθετες απαιτήσεις (αύξηση της οξυγονωτικής ικανότητας) και με όλες τις λειτουργικές αδυναμίες (Ανδρεαδάκης, 1996). 2.1.5 Σύστημα ενεργού ιλύος για απομάκρυνση οργανικού άνθρακα και αζώτου Η απομάκρυνση του νιτροποιημένου αζώτου επιτυγχάνεται με τη διαδικασία της απονιτροποίησης, η οποία συνίσταται στην αναγωγή των νιτρικών σε αέριο άζωτο που διαφεύγει στην ατμόσφαιρα. Η αναγωγή αυτή γίνεται με τη βοήθεια ετεροτροφικών βακτηρίων, τα οποία χρησιμοποιούν τα νιτρικά ως δέκτη ηλεκτρονίων (αντί του διαλυμένου οξυγόνου) κατά το μεταβολισμό τους, στην προσπάθειά τους να καταναλώσουν μέσω οξείδωσης ή σύνθεσης νέας βιομάζας τον οργανικό άνθρακα. Η χρησιμοποίηση των νιτρικών για το σκοπό αυτό γίνεται με μεγαλύτερη ενεργειακή απαίτηση απ ότι η εναλλακτική χρησιμοποίηση του διαλυμένου οξυγόνου και για το λόγο αυτό δεν μπορεί να επιτευχθεί όταν υπάρχει διαθέσιμο διαλυμένο οξυγόνο. Βασική επομένως προϋπόθεση της απονιτροποίησης είναι η απουσία διαλυμένου οξυγόνου, δηλαδή η επικράτηση ανοξικών συνθηκών, ενώ οι δύο άλλες βασικές προϋποθέσεις είναι η παρουσία οργανικού άνθρακα και προφανώς η παρουσία νιτρικών, που αποτελούν το οξειδωτικό μέσο κατά το μεταβολισμό (Bitton, 1994). Τα συστήματα ενεργού ιλύος που επιτελούν απομάκρυνση αζώτου μέσω διαδικασιών νιτροποίησης και απονιτροποίησης βασίζονται στη διαδοχική δημιουργία εναλλακτικών συνθηκών. Ανάλογα με τον τρόπο που το επιτυγχάνουν διακρίνονται σε συστήματα μετααπονιτροποίησης, προαπονιτροποίησης και ταυτόχρονης νιτροποίησης- απονιτροποίησης (Ανδρεαδάκης, 1996). 16

Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική Ανασκόπηση 2.1.5.1 Σύστημα μετααπονιτροποίησης Το σύστημα μετααπονιτροποίησης αποτελεί την πιο προφανή αλλά και σπανιότερα εφαρμοζόμενη διάταξη. Στο τυπικό σύστημα ενεργού ιλύος προστίθενται κατάντη του αερόβιου βιολογικού αντιδραστήρα ένας δεύτερος ανοξικός αντιδραστήρας. Στον ανοξικό αντιδραστήρα εισρέει το νιτροποιούμενο υγρό από τον αερόβιο αντιδραστήρα, όπου υπό συνθήκες απλής ανάδευσης επιτελείται η διεργασία της απονιτροποίησης. Η μεγάλη αδυναμία του συστήματος αυτού προκύπτει από την προηγηθείσα κατανάλωση του οργανικού φορτίου και τη συνεπαγόμενη έλλειψη του στον ανοξικό αντιδραστήρα. Με δεδομένο την πολύ μικρή έως και μηδενική συγκέντρωση διαλυμένου BOD 5 των προεπεξεργασμένων λυμάτων, πρακτικά η μόνη διαθέσιμη πηγή οργανικού άνθρακα είναι ο άνθρακας των κυττάρων των μικροοργανισμών, που μπορεί να διατεθεί μέσω της ενδογενούς αναπνοής και το θάνατο των μικροοργανισμών. Οι διαδικασίες αυτές επιτρέπουν μεν την απονιτροποίηση αλλά με ιδιαίτερα αργούς και αναποτελεσματικούς ρυθμούς. Η ελλειψη ευκολοδιαθέσιμου άνθρακα καθιστά υποχρεωτική την προσθήκη στον ανοξικό αντιδραστήρα εξωτερικού οργανικού άνθρακα, γεγονός που αυξάνει κατά πολύ τις λειτουργικές δαπάνες και οδηγεί σε μία αποτελεσματική μεν αλλά στις περισσότερες περιπτώσεις ασύμφορη λύση (Ανδρεαδάκης, 1996). 2.1.5.2 Σύστημα προαπονιτροποίησης Στο σύστημα προαπονιτροποίησης ο ανοξικός αντιδραστήρας τοποθετείται στα ανάντη του αερόβιου βιολογικού αντιδραστήρα με στόχο την αξιοποίηση του οργανικού άνθρακα των ανεπεξέργαστων ή πρωτοβάθμια επεξεργασμένων λυμάτων. Στην περίπτωση αυτή δεν υπάρχει καταρχήν έλλειψη οργανικού άνθρακα για την απονιτροποίηση, είναι όμως ελλιπής η παρουσία του οξειδωτικού μέσου, δηλαδή των νιτρικών. Το άζωτο στα λύματα βρίσκεται κυρίως σε αμμωνιακή μορφή και επομένως στον ανοξικό αντιδραστήρα εισέρχονται νιτρικά μόνο από την επανακυκλοφορία της ιλύος. Η ποσότητα αυτή, για τους συνήθεις ρυθμούς επανακυκλοφορίας που απαιτούνται για την επανεισαγωγή της ιλύος στους βιολογικούς αντιδραστήρες (50-150% της παροχής), δεν είναι αξιόλογη για σημαντική απομάκρυνση αζώτου. Θα πρέπει επομένως να αυξηθεί η επανακυκλοφορία της ιλύος. Έχει βρεθεί όμως, ότι είναι λειτουργικά οικονομικότερο και ασφαλέστερο να εξασφαλίζεται η πρόσθετη 17

Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική Ανασκόπηση αυτή ποσότητα νιτρικών με συμπληρωματική άμεση ανακυκλοφορία ανάμικτου υγρού από τον αερόβιο προς τον ανοξικό αντιδραστήρα (εσωτερική ανακυκλοφορία) (Σχήμα 2.3) (Ανδρεαδάκης, 1996). Σχήμα 2. 3: Σύστημα ενεργού ιλύος με προαπονιτροποίηση Στο βαθμό που, μέσω των δύο ανακυκλοφοριών, εξασφαλίζεται επάρκεια νιτρικών, κρίσιμος παράγοντας για την απονιτροποίηση γίνεται ο διαθέσιμος οργανικός άνθρακας, με την έννοια ότι η διαθεσιμότητά του καθορίζει την έκταση αλλά και την ταχύτητα της απονιτροποίησης, δηλαδή την απόδοση ως προς την απομάκρυνση αζώτου και τον απαιτούμενο όγκο του ανοξικού αντιδραστήρα. Συνήθως ως κριτήριο επάρκειας του οργανικού άνθρακα χρησιμοποιείται η τιμή του λόγου BOD 5 προς άζωτο λυμάτων και συνίσταται μία αναλογία μεγαλύτερη του 3 προς 1 (Bitton, 1994) Στο σημείο αυτό ωστόσο πρέπει να επισημανθεί ότι μεγάλη σημασία έχει η μορφή με την οποία είναι διαθέσιμος ο οργανικός άνθρακας των λυμάτων. Με τη διαλυμένη και ευκολοδιασπάσιμη μορφή του επιτυγχάνει γρήγορη απονιτροποίηση και η απαιτούμενη αναλογία του BOD 5 προς το άζωτο των λυμάτων είναι μικρή, οριακά 1 προς 1. Αντίθετα, ο σωματιδιακός άνθρακας των λυμάτων επιτελεί την απονιτροποίηση με σημαντικά χαμηλότερες ταχύτητες και η απαιτούμενη αναλογία είναι 5-10 προς 1. Είναι επομένως προφανές ότι η επιθυμητή μορφή άνθρακα στα λύματα για το σκοπό της απονιτροποίησης είναι η ευκολοδιασπάσιμη διαλυμένη μορφή του και έτσι παρουσιάζει ενδιαφέρον η γνώση όχι μόνο του συνολικού διαθέσιμου άνθρακα στα λύματα αλλά και η διερεύνηση των κλασμάτων του (Ανδρεαδάκης, 1996). Όπως ήδη αναφέρθηκε, βασική προϋπόθεση για την επίτευξη της απονιτροποίησης είναι η απουσία διαλυμένου οξυγόνου. Στην πράξη θεωρείται δεν υπάρχει πρόβλημα αν διατηρείται στον ανοξικό αντιδραστήρα μια συγκέντρωση διαλυμένου οξυγόνου 18

Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική Ανασκόπηση μικρότερη από 0,5 mg/l. Η επίτευξη της απονιτροποίησης, έστω και υπό συνθήκες μη μηδενικού διαλυμένου οξυγόνου στην υγρή φάση, οφείλεται στο μηδενισμό του διαλυμένου οξυγόνου στο εσωτερικό των βιοκροκίδων, είτε λόγω φαινομένων διάχυσης, είτε λόγω της κατανάλωσης του από αποικίες μικροοργανισμών στα εξωτερικά στρώματα των βιοκροκίδων (Andreadakis, 1993; Jenkins et al., 1993). Σε κάθε περίπτωση πάντως είναι επιθυμητή η ελαχιστοποίηση των εισροών διαλυμένου οξυγόνου στον ανοξικό αντιδραστήρα. Τα λύματα δε δημιουργούν πρόβλημα, καθώς κατά κανόνα οι συγκεντρώσεις του διαλυμένου οξυγόνου σε αυτά είναι μηδενικές. Πρόβλημα ωστόσο μπορεί να δημιουργήσει η εσωτερική ανακυκλοφορία του ανάμικτου υγρού, που στόχος της είναι μεν η εισαγωγή νιτρικών στον ανοξικό αντιδραστήρα, αναπόφευκτα όμως μεταφέρει και το διαλυμένο οξυγόνο που υπάρχει στο κατάντη του αερόβιου αντιδραστήρα. Η αντιμετώπιση του προβλήματος μπορεί να γίνει με έναν από τους ακόλουθους τρόπους ή με συνδυασμό τους: διατήρηση χαμηλών συγκεντρώσεων διαλυμένου οξυγόνου στο κατάντη τμήμα του αερόβιου αντιδραστήρα, μέσω μείωσης του παρεχόμενου αερισμού. Το μέτρο αυτό συνήθως πρέπει να συνοδεύεται από τοπική υποβοήθηση της μίξης του ανάμικτου υγρού με αναδευτήρες. παρεμβολή ενός μικρού φρεατίου ιλύος πριν την εισαγωγή της εσωτερικής ανακυκλοφορίας στον ανοξικό αντιδραστήρα με στόχο το μηδενισμό, μέσω κατανάλωσής του από την ιλύ, του διαλυμένου οξυγόνου (Ανδρεαδάκης, 1996). Η επιτυχής λειτουργία των συστημάτων νιτροποίησης- απονιτροποίησης βασίζεται στη δυνατότητα των ετεροτροφικών βακτηρίων, που αναπτύσσονται κατά τη βιολογική επεξεργασία, να μπορούν να χρησιμοποιούν ως εναλλακτικούς δέκτες ηλεκτρονίων το διαλυμένο οξυγόνο ή τα νιτρικά, ανάλογα με το περιβάλλον στο οποίο βρίσκονται. Τη δυνατότητα αυτή φαίνεται ότι την έχουν οι περισσότεροι μικροοργανισμοί της ενεργού ιλύος, σε ένα ποσοστό της τάξης του 80%. Θα πρέπει όμως να επισημανθεί το γεγονός, ότι κάποιες κατηγορίες μικροοργανισμών δεν έχουν την ικανότητα απονιτροποίησης και επομένως η εφαρμογή ενός συστήματος νιτροποίησης- απονιτροποίησης δημιουργεί για αυτούς ένα μη ευνοϊκό περιβάλλον, 19