ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΔΙΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΟ ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ» ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΤΗΣ ΙΛΥΟΣ ΠΟΥ ΕΠΙΔΡΟΥΝ ΣΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΗΣ ΕΜΦΡΑΞΗΣ ΤΩΝ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑ ΒΙΟΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ (MBR) Αντώνιος Γ. Ελευθερίου Αθήνα, Οκτώβριος 2008 Επιβλέπων Καθηγητής : Ανδρέας Ανδρεαδάκης

Ευχαριστίες Με την ολοκλήρωση της μεταπτυχιακής μου εργασίας θα ήθελα να εκφράσω τις θερμές ευχαριστίες μου σε όλους όσους συνέβαλαν στην υλοποίησή της. Αρχικά, ευχαριστώ τον Καθηγητή του Ε.Μ.Π., της Σχολής Πολιτικών Μηχανικών του Τομέα Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος κ. Ανδρέα Ανδρεαδάκη για την ανάθεση του συγκεκριμένου θέματος, αφού μου έδωσε την ευκαιρία να μελετήσω ένα τεχνικό και θεωρητικό πεδίο εφαρμογών που επιθυμούσα πολύ να γνωρίσω. Ευχαριστώ επίσης τον Επίκουρο Καθηγητή του Ε.Μ.Π., της Σχολής Πολιτικών Μηχανικών του Τομέα Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος κ. Δανιήλ Μαμάη για τις συμβουλές και την βοήθειά του στα διάφορα εμπόδια που παρουσιάστηκαν. Ιδιαίτερα θα ήθελα να ευχαριστήσω τον υποψήφιο Διδάκτορα της Σχολής Πολιτικών Μηχανικών, Συμεών - Αλέξανδρο Μαλαμή για την συνολικά πολύτιμη βοήθειά του και τον χρόνο που αφιέρωσε από την πρώτη έως την τελευταία μέρα υλοποίησης αυτής της μελέτης. Πολλές ευχαριστίες απευθύνω, στους υπεύθυνους και το επιστημονικό προσωπικό του ΚΕΡΕΦΥΤ (Κέντρο Έρευνας και Εφαρμοσμένης Υγειονομικής Τεχνολογίας) της ΕΥΔΑΠ A.E., για τη φιλοξενία στο εργαστήριο της εγκατάστασης, την υποστήριξη και την καθοριστική τους βοήθεια στην οποία οφείλεται η διεξαγωγή μεγάλου μέρους των πειραμάτων. Ιδιαιτέρως θα ήθελα να εκφράσω τις ευχαριστίες μου προς την Προϊσταμένη της Υπηρεσίας Κέντρου Επεξεργασίας Λυμάτων Μεταμόρφωσης - ΚΕΡΕΦΥΤ, Πολιτικό Μηχανικό κα Αικατερίνη Κατσάρα, στον Ερευνητή - Πολιτικό Μηχανικό της ΕΥΔΑΠ Δρ Γεώργιο Χατζηκωνσταντίνου και στην υπεύθυνη του Εργαστηρίου Υγειονομικής Τεχνολογίας του ΚΕΡΕΦΥΤ χημικό κα Παρασκευή Κερασοβίτου. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω τον ηλεκτρολόγο των εγκαταστάσεων του ΚΕΡΕΦΥΤ κ. Δημήτριο Κεραμιώτη για την τεχνική υποστήριξη. Ολοκληρώνοντας, ένα μεγάλο ευχαριστώ οφείλω στην οικογένειά μου, που με στήριξε κατά την διάρκεια όλων των σπουδών μου.

ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ.. I ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ.. II ΛΙΣΤΑ ΠΙΝΑΚΩΝ... V ΛΙΣΤΑ ΣΧΗΜΑΤΩΝ.. VI ΛΙΣΤΑ ΕΙΚΟΝΩΝ......VI ΛΙΣΤΑ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΩΝ... VII ΠΕΡΙΛΗΨΗ.. X EXTENDED ABSTRACT.....XIV ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1 o ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΙΣΑΓΩΓΗ...1 2ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΒΙΟΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ...4 2.1 Ιστορικά στοιχεία...4 2.2 Αρχή λειτουργίας του συστήματος MBR...5 2.3 Κατηγοριοποίηση συστημάτων MBR ανάλογα με το είδος της διάταξης...6 2.4 Κατηγορίες μεμβρανών που χρησιμοποιούνται...8 2.4.1 Κατηγορίες μεμβρανών βάσει του μεγέθους των πόρων...8 2.4.2 Κατηγορίες μεμβρανών βάσει του υλικού κατασκευής... 10 2.4.3 Κατηγορίες μεμβρανών βάσει της διάταξης... 10 2.4.4 Είδη ροής... 12 2.5 Λειτουργικές παράμετροι... 12 2.6 Χαρακτηριστικά συστήματος MBR... 15 2.6.1 Φορτίσεις και Χρόνοι παραμονής... 15

2.6.2 Συγκέντρωση Ανάμεικτου Υγρού... 17 2.6.3 Απομάκρυνση Αιωρούμενων Στερεών... 18 2.6.4 Απομάκρυνση Οργανικής Ύλης... 18 2.6.5 Χαρακτηριστικά Ιλύος... 20 2.6.6 Απομάκρυνση Αζώτου... 24 2.6.7 Ιξώδες και Θερμοκρασία... 25 2.6.8 Υδραυλική Συμπεριφορά... 26 2.6.9 Απολύμανση... 28 2.7 Χαρακτηριστικά βιοφίλμ... 29 2.8 Εξωκυτταρικά πολυμερή (ΕΡS)... 30 2.8.1 Είδη εξωκυτταρικών πολυμερών... 32 2.8.2 Μέθοδοι προσδιορισμού EPS και SMP... 36 2.9 Έμφραξη των μεμβρανών... 40 2.9.1 Επίδραση των φυσικών χαρακτηριστικών των μεμβρανών... 44 2.9.2 Χημικά Χαρακτηριστικά Μεμβρανών... 45 2.9.3 Λειτουργικές Συνθήκες... 45 2.9.4 Χαρακτηριστικά Λυμάτων και Βιομάζας... 47 2.9.5 Μέθοδοι Περιορισμού Έμφραξης... 53 2.10 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα συστημάτων MBR... 58 3 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ 3.1 Εισαγωγή... 63 3.2 Χαρακτηριστικά Πιλοτικού Συστήματος Βιοαντιδραστήρα Μεμβράνης... 63 3.2.1 Υδραυλικά χαρακτηριστικά μεμβρανών... 70 3.3 Καθαρισμός Μονάδας Μεμβρανών... 72 3.3.1 Χημικός καθαρισμός συντήρησης... 73 3.4 Δειγματοληψία... 75 3.5 Προσδιορισμός Αιωρούμενων Στερεών... 75 3.6 Προεργασία δειγμάτων για τον προσδιορισμό των EPS και SMP... 77 3.6.1 Διαλυτά εξωκυτταρικά πολυμερή (SMP)... 77

3.6.2 Δεσμευμένα εξωκυτταρικά πολυμερή (ΕPS)... 77 3.7 Κλασματοποίηση Δειγμάτων... 78 3.8 Μέτρηση πρωτεϊνών και υδατανθράκων των EPS και των SMP... 79 3.8.1 Πρωτόκολλο μέτρησης Πρωτεϊνών (Τροποποιημένη Μέθοδος Lowry)... 81 3.8.2 Πρωτόκολλο μέτρησης Υδατανθράκων... 83 3.9 Διερεύνηση της μείωσης της έμφραξης με προσθήκη περλίτη... 85 4 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ..86 4.1 Σύσταση λυμάτων.. 86 4.2 Χαρακτηριστικά Βιοαντιδραστήρα Μεμβράνης....87 4.2.1 Βιολογικά χαρακτηριστικά.. 87 4.2.2 Λειτουργικά χαρακτηριστικά διήθησης. 87 4.3 Διερεύνηση της έμφραξης. 89 4.3.1 Διερεύνησης της μείωσης της έμφραξης με χρήση περλίτη..91 4.3.2 Επίδραση του Χρόνου παραμονής στην Έμφραξη 93 4.4 Ολικά και Πτητικά Αιωρούμενα Στερεά 95 4.5 Αιωρούμενα στερεά εισόδου εξόδου..99 4.6 Προσδιορισμός εξωκυτταρικών πολυμερών 100 4.6.1Προσδιορισμός υδατανθράκων στα EPS και SMP 101 4.6.2 Προσδιορισμός πρωτεϊνών στα EPS και SMP..113 5 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 128 6 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 132.

ΛΙΣΤΑ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 2.1: Ουσίες που Αφαιρούν οι Διάφορες Διεργασίες Μεμβρανών...9 Πίνακας 2.2: Συγκριτική Παρουσίαση των Εναλλακτικών Διατάξεων Μεμβρανών. 11 Πίνακας 2.3: Παρουσίαση Τιμών Κινητικών και Στοιχειομετρικών Παραμέτρων που έχουν Υπολογισθεί για Συστήματα MBR που Επεξεργάζονται Αστικά Λύματα... 20 Πίνακας 2.4: Χαρακτηριστικά μεθόδων προσδιορισμού EPS... 38 Πίνακας 2.5: Συμβολή των Διαφόρων Σωματιδίων στην Έμφραξη... 50 Πίνακας 3.1: Λειτουργικά Χαρακτηριστικά Συστήματος για θ c 33 ημέρες... 67 Πίνακας 3.2: Χαρακτηριστικά Συστήματος που σχετίζονται με τη διήθηση... 67 Πίνακας 3.3: Δείγματα προς ανάλυση πρωτεϊνών και υδατανθράκων 80 Πίνακας 4.1 Σύσταση των πρωτοβάθμια επεξεργασμένων λυμάτων..86 Πίνακας 4.2 Λειτουργικά Χαρακτηριστικά Συστήματος για θc 33 ημέρες.87 Πίνακας 4.3: Χαρακτηριστικά συστήματος που σχετίζονται με τη διήθηση της μεμβράνη..88 Πίνακας 4.4: Συγκεντρώσεις αιωρούμενων στερεών της δεξαμενής αερισμού για θ c =33 d. 96 Πίνακας 4.5: Μέση τιμή και τυπική απόκλιση της συγκέντρωσης των ολικών και των πτητικών αιωρούμενων στερεών της εισόδου και της εξόδου.....99 Πίνακας 4.6 : Ολικά EPS C και SMP C σε όρους υδατανθράκων 101 Πίνακας 4.7: Μέσες τιμές συγκεντρώσεων των εξωκυτταρικών πολυμερών και αντίστοιχοι ρυθμοί πτώσης διαπερατότητας για τους τρεις χρόνους παραμονής στερεών..104 Πίνακας 4.8: Μέσες συγκεντρώσεις και ποσοστά των κλασμάτων των ΕPS C για τους τρεις χρόνους παραμονής της ιλύος που λειτούργησε ο MBR..112 Πίνακας 4.9: Μέσες συγκεντρώσεις και ποσοστά των κλασμάτων των SMP C για τους τρεις χρόνους παραμονής της ιλύος που λειτούργησε το MBR...112 Πίνακας 4.10 : Ολικά EPS και SMP σε όρους πρωτεινών 113 Πίνακας 4.11: Μέσες τιμές συγκεντρώσεων των πρωτεϊνών των εξωκυτταρικών πολυμερών και αντίστοιχοι ρυθμοί πτώσης διαπερατότητας για τους τρεις χρόνους παραμονής στερεών....115

Πίνακας 4.12: Μέσες συγκεντρώσεις και ποσοστά των κλασμάτων των ΕPS P για τους τρεις χρόνους παραμονής της ιλύος που λειτούργησε το MBR 123 Πίνακας 4.13: Μέσες συγκεντρώσεις και ποσοστά των κλασμάτων των SMP P για τους τρεις χρόνους παραμονής της ιλύος που λειτούργησε ο MBR. 123 ΛΙΣΤΑ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 2.1: Γενική αρχή λειτουργίας Βιοαντιδραστήρα Μεμβράνης...6 Σχήμα 2.2: Απεικόνιση διατάξεων συστημάτων βιοαντιδραστήρα μεμβράνης...7 Σχήμα 2.3: Σχηματική απεικόνιση των EPS... 36 Σχήμα 2.4: Ο ρυθμός έμφραξης συναρτήσει της συγκέντρωσης των ΕPS... 38 Σχήμα 2.5: Τάση έμφραξης των SMP συναρτήσει του χρόνου παραμονής των στερεών... 40 Σχήμα 2.6: Παράγοντες που επηρεάζουν την έμφραξη... 48 στα Συστήματα MBR... 48 Σχήμα 2.7: Πειραματική Μέθοδος Προσδιορισμού των Υδραυλικών Αντιστάσεων από τα Διάφορα Κλάσματα της Βιομάζας... 53 Σχήμα 3.1: Διάταξη του πιλοτικού συστήματος MBR... 64 ΛΙΣΤΑ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα 3.1: α)κάτοψη Πιλοτικού Συστήματος Βιοαντιδραστήρα Μεμβράνης, β) Αριστερή Πλάγια όψη, γ) Δεξιά Πλάγια όψη, δ) Απεικόνιση της Μονάδας των Μεμβρανών... 69 Εικόνα 3.2: α) Τελείως Βουλωμένη Μεμβράνη β) Χειρονακτικός Καθαρισμός Μεμβράνης γ) Μεμβράνη μετά από χημικό καθαρισμό δ)βιοαντιδραστήρας Μεμβράνης σε Λειτουργία... 75 Εικόνα 3.3: α) Αφαίρεση υπερκείμενου και προσθήκη buffer β)ζύγιση ρητίνης γ) Ανάμειξη ρητίνης με μείγμα δ) Μίξερ ανάδευσης buffer ιζήματος... 78 Εικόνα 3.4: Συσκευή κλασματοποίησης... 79

Εικόνα 3.5: α) Παρασκευή πρότυπων διαλυμάτων σε ογκομετρικές φιάλες για την κατασκευή καμπύλης αναφοράς. β) Φασματοφωτόμετρο γ) Διάταξη των κιβετών πριν την μέτρηση δ) Υδατόλουτρο... 84 ΛΙΣΤΑ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΩΝ Διάγραμμα 4.1: Παροχές εισόδου και εξόδου σε, από τις μέρες διεξαγωγής των πειραμάτων...88 Διάγραμμα 4.2: Διακύμανση της ροής διήθησης της μεμβράνης σε.89 Διάγραμμα 4.3: Διαμεμβρανική πίεση μεμβράνης TMP κατά τη διάρκεια των μετρήσεων για θc= 33 ημέρες.. 90 Διάγραμμα 4.4: Διαπερατότητα μεμβράνης στους 20 C......91 Διάγραμμα 4.5: Διαμεμβρανική πίεση μεμβράνης κατά τη διάρκεια των ημερών που πραγματοποιήθηκε το πείραμα προσθήκης περλίτη με θc= 20 ημέρες...92 Διάγραμμα 4.6: Διαπερατότητα μεμβράνης κατά τις ημέρες που πραγματοποιήθηκε το πείραμα προσθήκης περλίτη με θc= 20 ημέρες... 92 Διάγραμμα 4.7: Σύγκριση της διαπερατότητας της μεμβράνης για τον ίδιο χρόνο παραμονής στερεών με την χρήση περλίτη..93 Διάγραμμα 4.8: Συγκριτικό διάγραμμα διαπερατότητας για τους τρεις χρόνους παραμονής στερεών.... 94 Διάγραμμα 4.9: Μεταβολή του ρυθμού πτώσης της διαπερατότητας για τους τρεις χρόνους παραμονής στερεών που έχει λειτουργήσει το σύστημα.. 95 Διάγραμμα 4.10: Συγκεντρώσεις ολικών και πτητικών αιωρούμενων στερεών στη Δεξαμενή Αερισμού του πιλοτικού συστήματος για θ c =33d..96 Διάγραμμα 4.11: Συγκριτικό διάγραμμα της συγκέντρωσης των στερεών του ανάμεικτου υγρού για τους τρεις χρόνους παραμονής στερεών..97 Διάγραμμα 4.12: Συγκεντρώσεις ολικών αιωρούμενων στερεών κατα τη διάρκεια του πειράματος προσθήκης περλίτη....98 Διάγραμμα 4.13: Οργανική φόρτιση στερεών σε σύγκριση με την συγκέντρωση της βιομάζας στο ανάμεικτο υγρό για τους τρεις χρόνους παραμονής στερεών....99

Διάγραμμα 4.14: Διακύμανση της συγκέντρωσης των αιωρούμενων στερεών της εισόδου και της εξόδου του συστήματος με τις ημέρες λειτουργίας αυτού (θ c =33d).100 Διάγραμμα 4.15 : Μέση τιμή των EPS C και των SMP C σε όρους Υδατανθράκων για τους τρεις χρόνους παραμονής της βιομάζας παραμονής του συστήματος...102 Διάγραμμα 4.16 : Διακύμανση των τιμών των EPS C σε συνάρτηση με τον χρόνο...103 Διάγραμμα 4.17: Διακύμανση των τιμών των SMP C σε συνάρτηση με τον χρόνο...103 Διάγραμμα 4.18: Ρυθμός πτώσης της διαπερατότητας της μεμβράνης συναρτήσει των ΕPS C και των SMP C...104 Διάγραμμα 4.19: Μέσες τιμές των κλασμάτων των EPS C σε όρους υδατανθράκων για τους τρεις χρόνους παραμονής που λειτούργησε το σύστημα... 105 Διάγραμμα 4.20: Ποσοστά των κλασμάτων των δεσμευμένων εξωκυτταρικών πολυμερών για τους τρεις χρόνους παραμονής.106 Διάγραμμα 4.21: Ποσοστιαία κατανομή των κλασμάτων των EPS C σύμφωνα με την μέτρηση υδατανθράκων για χρόνο παραμονής στερεών 10 ημέρες..107 Διάγραμμα 4.22: Ποσοστιαία κατανομή των κλασμάτων των EPS C σύμφωνα με την μέτρηση υδατανθράκων για χρόνο παραμονής στερεών 20 ημέρες..108 Διάγραμμα 4.23: Ποσοστιαία κατανομή των κλασμάτων των EPS C σύμφωνα με την μέτρηση υδατανθράκων για χρόνο παραμονής στερεών 33 ημέρες..108 Διάγραμμα 4.24: Μέσες τιμές των κλασμάτων των SMP σε όρους υδατανθράκων για τους τρεις χρόνους παραμονής που λειτούργησε το σύστημα...109 Διάγραμμα 4.25: Ποσοστά των κλασμάτων των διαλυτών εξωκυτταρικών πολυμερών σε όρους υδατανθράκων για τους τρεις χρόνους παραμονής..110 Διάγραμμα 4.26: Ποσοστιαία κατανομή των κλασμάτων των SMP C σύμφωνα με την μέτρηση υδατανθράκων για χρόνο παραμονής στερεών 10 ημέρες..111 Διάγραμμα 4.27: Ποσοστιαία κατανομή των κλασμάτων των SMP C σύμφωνα με την μέτρηση υδατανθράκων για χρόνο παραμονής στερεών 20 ημέρες.. 111 Διάγραμμα 4.28: Ποσοστιαία κατανομή των κλασμάτων των SMP C σύμφωνα με την μέτρηση υδατανθράκων για χρόνο παραμονής στερεών 33 ημέρες.112 Διάγραμμα 4.29 : Μέση τιμή των EPS P και των SMP P σε όρους πρωτεϊνών για τους τρεις χρόνους παραμονής της βιομάζας παραμονής του συστήματος...115

Διάγραμμα 4.30: Διακύμανση των τιμών των EPS P σε συνάρτηση με τον χρόνο λειτοργίας...115 Διάγραμμα 4.31: Διακύμανση των τιμών των SMP P σε συνάρτηση με τον χρόνο...115 Διάγραμμα 4.32: Ρυθμός πτώσης της διαπερατότητας της μεμβράνης συναρτήσει των ΕPS και των SMP...116 Διάγραμμα 4.33: Μέσες τιμές των κλασμάτων των EPS P σε όρους πρωτεϊνών για τους τρεις χρόνους παραμονής που λειτούργησε το σύστημα...117 Διάγραμμα 4.34:Ποσοστά των κλασμάτων των δεσμευμένων εξωκυτταρικών πολυμερών σε όρους πρωτεϊνών για τους τρεις χρόνους παραμονής 118 Διάγραμμα 4.35: Ποσοστιαία κατανομή των κλασμάτων των EPS P σύμφωνα με την μέτρηση πρωτεϊνών για χρόνο παραμονής στερεών 10 ημέρες. 119 Διάγραμμα 4.36: Ποσοστιαία κατανομή των κλασμάτων των EPS P σύμφωνα με την μέτρηση πρωτεϊνών για χρόνο παραμονής στερεών 20 ημέρες.119 Διάγραμμα 4.37: Ποσοστιαία κατανομή των κλασμάτων των EPS P σύμφωνα με την μέτρηση πρωτεινών για χρόνο παραμονής στερεών 33 ημέρες....120 Διάγραμμα 4.38: Μέσες τιμές των κλασμάτων των SMP P σε όρους πρωτεϊνών για τους τρεις χρόνους παραμονής που λειτούργησε το σύστημα......121 Διάγραμμα 4.39:Ποσοστά των κλασμάτων των διαλυτών εξωκυτταρικών πολυμερών για τους τρεις χρόνους παραμονής....... 122 Διάγραμμα 4.40 : Ποσοστιαία κατανομή των κλασμάτων των SMP P σύμφωνα με την μέτρηση πρωτεϊνών για χρόνο παραμονής στερεών 10 ημέρες.123 Διάγραμμα 4.41: Ποσοστιαία κατανομή των κλασμάτων των SMP P σύμφωνα με την μέτρηση πρωτεϊνών για χρόνο παραμονής στερεών 20 ημέρες. 123 Διάγραμμα 4.42: Ποσοστιαία κατανομή των κλασμάτων των SMP P σύμφωνα με την μέτρηση πρωτεϊνών για χρόνο παραμονής στερεών 33 ημέρες.123 Διάγραμμα 4.43: Συγκριτικός πίνακας μεταβολής της συγκέντρωσης των EPS και των SMP συναρτήσει του χρόνου παραμονής της ιλύος.124 Διάγραμμα 4.44: Σύγκριση λόγων των πρωτεινών προς τους υδατάνθρακες των δεσμευμένων και διαλυτών εξωκυτταρικών πολυμερών...125 Διάγραμμα 4.45: Σύγκριση των συγκεντρώσεων των κλασμάτων των EPS σε όρους πρωτεινών και υδατανθράκων...125

Διάγραμμα 4.46: Σύγκριση των συγκεντρώσεων των κλασμάτων των SMP σε όρους πρωτεινών και υδατανθράκων... 126 Διαάγραμμα 4.47: Διαμεμβρανική πίεση συναρτήση της ροής διήθησης για SRT 10 και 20 ημέρες. 127

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Το σύστημα βιοαντιδραστήρα μεμβράνης, ευρέως γνωστό με τον όρο MBR (Membrane Bioreactor)αποτελεί ένα πολλά υποσχόμενο, εναλλακτικό σύστημα δευτεροβάθμιας επεξεργασίας λυμάτων το οποίο εμφανίζει πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με το αντίστοιχο σύστημα της ενεργού ιλύος. Συγκεκριμένα, η τελική εκροή είναι ποιοτικά ανώτερη και συγκρίσιμη με τριτοβάθμια συστήματα επεξεργασίας. Το MBR χρησιμοποιεί μεμβράνες για το διαχωρισμό της τελικής εκροής από την ιλύ και επομένως δεν παρεμβάλλεται δεξαμενή τελικής καθίζησης. Επομένως, καταργείται η ανάγκη για παραγωγή ιλύος με χαρακτηριστικά καλής καθιζησιμότητας. Συνεπακόλουθα το σύστημα MBR μπορεί να λειτουργήσει σε πολύ υψηλές συγκεντρώσεις ανάμικτου υγρού, μειώνοντας έτσι τον όγκο των δεξαμενών επεξεργασίας.. Το βασικότερο λειτουργικό πρόβλημα των συστημάτων MBR είναι η έμφραξη των μεμβρανών. Η έμφραξη των μεμβρανών αυξάνει τη διαμεμβρανική πίεση του συστήματος για δεδομένη ροή διήθησης και αυξάνει σημαντικά το λειτουργικό κόστος, καθώς απαιτείται συχνός καθαρισμός των μεμβρανών. Η έμφραξη των μεμβρανών εξαρτάται σε καταλυτικό βαθμό από τις ιδιότητες της βιομάζας και κυρίως από τα εξωκυτταρικά πολυμερή τα οποία διακρίνονται στα διαλυτά εξωκυτταρικά πολυμερή (SMP) και στα δεσμευμένα εξωκυτταρικά πολυμερή (EPS) Κατά την διάρκεια της διήθησης, τα εξωκυτταρικά πολυμερή προσροφώνται στην επιφάνεια της μεμβράνης, φράζουν τους πόρους και σχηματίζουν μία ζελώδη δομή στην επιφάνεια των μεμβρανών η οποία παρέχει μια πιθανή πηγή θρεπτικών για την δημιουργία βιοφίλμ και δημιουργεί μεγαλύτερη υδραυλική αντίσταση στην ροή διήθησης. Οι στόχοι της παρούσας εργασίας είναι οι ακόλουθοι: Η εξέταση της επίδρασης του χρόνου παραμονής των στερεών στην ανάπτυξη των εξωκυτταρικών πολυμερών

Η εξέταση της επίδρασης των λειτουργικών χαρακτηριστικών του συστήματος (δηλαδή του χρόνου παραμονής των στερεών) στην έμφραξη του συστήματος Η εξέταση των διαφόρων κλασμάτων των διαλυτών και δεσμευμένων εξωκυτταρικών πολυμερών Η διερεύνηση της επίπτωσης της προσθήκης περλίτη στο φαινόμενο της έμφραξης των μεμβρανών. Για τη υλοποίηση των παραπάνω στόχων, πραγματοποιήθηκε σειρά πειραμάτων που αφορούσαν τον προσδιορισμό των διαλυτών και δεσμευμένων εξωκυτταρικών πολυμερών καθώς και την εξέταση των διαφόρων κλασμάτων τους με χρήση μεμβρανών που έχουν διαφορετικά σημεία αποκοπής για χρόνο παραμονής στερεών στο σύστημα 33 ημέρες. Οι κλασματοποιήσεις που έγιναν ήταν 13 σε αριθμό και διήρκησαν από τις 18/04/2008 έως και τις 22/07/2008. Ακολούθησαν μετρήσεις της συγκέντρωσης των πρωτεϊνών και των υδατανθράκων στα διαλυτά και δεσμευμένα εξωκυτταρικά πολυμερή για χρόνο παραμονής 10, 20 και 33 ημέρες. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν φασματοφωτομετρικά. Η διερεύνηση της επίπτωσης της προσθήκης περλίτη στην έμφραξη των μεμβρανών διήρκεσε από 26/01/2008 έως 20/02/2008, πείραμα το οποίο τελικά δεν έδωσε τα επιθυμητά αποτελέσματα. Για τη διεξαγωγή των πειραμάτων χρησιμοποιήθηκε εσωτερικά εμβυθιζόμενο σύστημα βιοαντιδραστήρα μεμβράνης (Internally Submerged MBR) της ZENON Environmental Services Inc. Η μονάδα των μεμβρανών, που χρησιμοποιείται στο σύστημα είναι μονάδα τριχοειδών κοίλων ινών, όπου η διήθηση πραγματοποιείται από το εξωτερικό προς το εσωτερικό της μεμβράνης (outside-in filtration). Το σύστημα τροφοδοτείται με αστικά υγρά απόβλητα από την εγκατάσταση του ΚΕΡΕΦΥΤ (Κέντρο Ερευνών και Εφαρμογών Υγειονομικής Τεχνολογίας) της ΕΥΔΑΠ Α.Ε. στη Μεταμόρφωση Αττικής, όπου και είναι εγκατεστημένο το συγκεκριμένο πιλοτικό σύστημα. Συνοπτικά τα συμπεράσματα της παρούσας εργασίας είναι: Ξεκινώντας με το πείραμα προσθήκης περλίτη 5g/l στο ανάμεικτο υγρό, διαπιστώθηκε ότι το συγκεκριμένο προσροφητικό υλικό όχι μόνο δεν συμβάλει

στην μείωση της έμφραξης των μεμβρανών αλλά αντιθέτως την αυξάνει δραματικά κατά 305%. Αυτό δείχνει ότι το συγκεκριμένο υλικό δεν λειτούργησε ως προσροφητικό μέσο. Η προσθήκη του περλίτη αύξησε κατά 50-60% την συγκέντρωση των στερεών στην δεξαμενή αερισμού ενώ ταυτόχρονα την συγκεκριμένη περίοδο παρατηρήθηκαν υψηλές θερμοκρασίες με αποτέλεσμα να δυσχεράνει την διάδοση του διαλυμένου οξυγόνου στις βιοκροκίδες. Αυτό παρατηρήθηκε με την αδυναμία επίτευξης υψηλής συγκέντρωσης διαλυμένου οξυγόνου στην δεξαμενή αερισμού που κυμαινόταν κάτω από 0,8 mg/l. Από την σύγκριση των αποτελεσμάτων και των τριών χρόνων παραμονής στερεών που λειτούργησε το σύστημα (10, 20, 33 ημέρες) παρατηρείται ότι με την πάροδο των ημερών λειτουργίας του συστήματος, η τιμή της διαπερατότητας μειώνεται γραμμικά, καθώς όλο και περισσότερα σωματίδια παγιδεύονται στους πόρους της μεμβράνης. Το βασικό συμπέρασμα που εξάγεται όμως είναι ότι ο ρυθμός πτώσης της διαπερατότητας μειώνεται με την αύξηση του χρόνου παραμονής των στερεών. Συγκεκριμένα, με την αύξηση της ηλικίας της λάσπης από θc=10 ημέρες σε θc=20 ημέρες παρατηρείται μείωση του ρυθμού πτώσης της διαπερατότητας κατά 77,47%.Αντιθέτως με αύξηση της ηλικίας της λάσπης από θc=20 ημέρες σε θc=33 ημέρες ο ρυθμός έμφραξης δεν διαφοροποιείται σημαντικά (μείωση 12,06%). Η σημαντική μείωση του ρυθμού έμφραξης που παρατηρείται,εξηγείται από την σημαντική πτώση της συγκέντρωσης τόσο των δεσμευμένων (EPS) όσο και των διαλυτών (SMP) εξωκυτταρικών πολυμερών με την αύξηση του χρόνου παραμονής στερεών από θc=10 ημέρες σε θc=20 ημέρες όπου σύμφωνα με τις μετρήσεις υδατανθράκων η συγκέντρωση των EPS C μειώθηκε κατά 40,8% και των SMP C κατά 36,34%. Η αύξηση του θc από τις 20 ημέρες στις 33 ημέρες επιφέρει μείωση στην συγκέντρωση των EPS C μόλις κατά 3,9% ενώ των SMP C κατά 1,42% η οποία δεν είναι ιδιαιτέρως σημαντική και γι αυτό τον λόγο ο ρυθμός έμφραξης δεν διαφοροποιείται σημαντικά.. Τα αποτελέσματα των πρωτεϊνών εμφάνισαν παρόμοια συμπεριφορά παρουσιάζοντας μείωση των EPS P κατά 27,39% και των SMP P κατά 23,48% στην πρώτη αύξηση του χρόνου παραμονής στερεών από θc=10 ημέρες σε θc=20 ημέρες, ενώ στην δεύτερη

αλλαγή του κύκλου λειτουργίας,από θc=20 ημέρες σε θc=33 ημέρες, μικρότερη μείωση των EPS P κατά 6,66%.και των SMP P κατά 6%. Όσον αφορά την κλασματοποίηση των EPS και των SMP στα διάφορα οργανικά κλάσματα παρατηρήθηκαν τα εξής: Τόσο τα EPS C όσο και τα EPS P παρουσιάζουν τις υψηλότερες μέσες τιμές συγκέντρωσης υδατανθράκων αλλά και το μεγαλύτερο ποσοστό εμφάνισής τους, στο κλάσμα των 0,45μm-300kDa. Με την μετάβαση του χρόνου παραμονής στερεών από θc=10 ημέρες σε θc=20 ημέρες η μείωση των EPS είναι αρκετά σημαντική της τάξεως του 28% ενώ με την αλλαγή του χρόνου παραμονή της ιλύος από θc=20 ημέρες σε θc=33 ημέρες η μείωση είναι πάρα πολύ μικρή της τάξεως του 4%. Τα SMP C και τα SMP P παρουσιάζουν ίδια συμπεριφορά μεταξύ τους, εμφανίζοντας την μεγαλύτερη συγκέντρωση πρωτεϊνών και τα υψηλότερα ποσοστά κατανομής στο διαλυτό κλάσμα <1 kda. Αυτό είναι αναμενόμενο αφού τα SMP είναι μικρές μοριακές ενώσεις που δεν κατακρατούνται από τις μεμβράνες με μεγαλύτερους πόρους. Η σημαντικότερη παρατήρηση της μελέτης είναι ότι η αύξηση του χρόνου παραμονής από θc=10 σε θc=20 ημέρες βελτιώνει σημαντικά την απόδοση του συστήματος, ενώ η περαιτέρω αύξηση του χρόνου παραμονής δεν επιφέρει σημαντικές διαφοροποιήσεις στην έμφραξη των μεμβρανών.

EXTENDED ABSTRACT Title: Investigation of Sludge Properties that Impact on Membrane Fouling in a Membrane Bioreactor System The aim of this work is to investigate the impact of sludge retention time and of specific sludge properties on membrane fouling in a Membrane Bioreactor (MBR) system. Scarce water resources in several parts of the world have led to an increased interest in wastewater reuse applications and have promoted the development and application of innovative wastewater treatment systems. MBR are a relatively new wastewater treatment technology, which combines biological treatment and membrane filtration for the secondary-biological treatment of wastewater. The main advantages of such a system are: it produces a final effluent of superior quality that is equivalent to that of tertiary treatment systems, it does not require a secondary clarification tank as the solid/liquid separation is performed by the membrane, it requires limited space and can be used at high retention times with no operational problems. The major operational problem of MBR systems is membrane fouling, which is the gradual deposition of particles at the membrane surface and in the membrane s interior. Membrane fouling increases the transmembrane pressure and after some period of operation chemical cleaning of the membrane is required in order to restore its permeability. Much research has focused on understanding membrane fouling and on determining the factors that mostly affect it. Fouling is influenced both by the system operating conditions and by the sludge characteristics. This work examines: The impact of sludge age on sludge properties and on membrane fouling The impact of specific sludge properties on membrane fouling. The under investigation sludge properties are the soluble and bound extracellular polymeric substances (SMP and EPS respectively) The various organic fractions in the MBR system at steady state conditions (SRT = 10, 20 and 33 days) The effect that the addition of perlite in the aeration tank has with respect to the mitigation of membrane fouling.

The pilot MBR system employed is a hollow-fibre submerged Membrane Bioreactor where the filtration pattern takes place in an outside-inside pattern. The system layout is given in Figure 1. Primary treated wastewater is fed through a submersible pump to a 2m 3 equalization tank. Then the wastewater is fed by pressure through another submersible pump to the aeration tank. The aeration tank is 220 l, and has a working volume of 210 l. The permeate is then filtered through the membrane by suction inside a 20 l backwash tank. From the backwash tank the majority of the effluent is sent to drain at constant rate through the use of a suitable peristaltic pump, while the remaining portion of the effluent is returned to the aeration tank through backwash and by overflow. This way the Hydraulic Retention Time (HRT) is maintained constant. The permeate is filtered at a 10- minute at cycle during which filtration takes place for 9.5 minutes at a constant flux of 22.3 l/m 2 -h and backwash takes place for 0.5 minute at a constant flux of 21.3 l/m 2 -h. The MBR operated at steady state conditions of SRT = 33 days and HRT = 11 hours. BWT ΕΞIT P.C.T E.T. B.R. Figure 1: Layout of MBR pilot system The main conclusions of this research work are the following: The sludge age impacts on membrane fouling, through the alternation of the sludge properties. Increased sludge age resulted in lower fouling rates due to the lower concentrations of EPS and SMP. In particular the increase of solids retention time (SRT) from 10 to 20 days resulted in a decrease of the permeability drop by 77.47%, while the further increase of SRT from 20 to 33 days resulted in a further decrease of the permeability drop of only 7.6%. Consequently, the SRT

impacts much more on membrane fouling at values between 10-20 than at higher SRT values (Figures 2&3). Διαπερατότητα 20 ο C(l/m 2 -h-bar) 300 250 200 150 100 50 0 y = -2,97x + 442,49 R 2 = 0,98 y = -2,40x + 280,74 R 2 = 0,96 y = -2,50x + 582,55 R 2 = 0,89 y = -2,43x + 753,77 R 2 = 0,85 θc 10d θc 20d θc 33d θc 20 d +Περλίτη y = -0.5967x + 305.62 R 2 = 0.9354 y = -0.5627x + 254.46 R 2 = 0.9064 y = -2.3562x + 1183.3 R 2 = 0.9646 y = -0.5132x + 324.51 R 2 = 0.9821 y = -0.5586x + 404.47 R 2 = 0.9762 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Ημέρες λειτουργίας (d) Figure 2: Comparative diagram of the Permeability drop at Different Sludge Retention Times 3 2.5 2.575 2.3562 Rate of Permeability Drop 2 1.5 1 0.5 0.5797 0.53 0 SRT 10 SRT 20 SRT 20 =+Perlite SRT 33 Sludge Retention Times Figure 3: Rate of Permeability Drop at three Different Sludge Retention Times The significant mitigation of membrane fouling at SRT = 20 and 33 days compared to that of SRT = 10 days is attributed to the reduction of both bound and soluble extracellular polymeric substances. Figure 4 shows the EPS and SMP

values measured as total proteins and total carbohydrates. It is observed that by increasing the SRT from 10 to 20 days, the protein EPS concentration is reduced from 30,85 mg/g VSS to 22,40 mg/g VSS (27,4 % reduction) and the carbohydrate concentration is also reduced from 14.6 mg/g VSS to 8.64 mg / g VSS (40,8 % reduction). The SMP concentrations also reduce with SRT increase from 10 to 20 days. In particular, the protein SMP content reduces from 10,39 mg/l to 7,95 mg/l (reduction of 23.5%) and carbohydrates concentration reduces from 13,04 to 9,12 mg/l (reduction of 30%) Concentration 35.00 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 SRT 10 SRT 20 SRT 33 EPSp(mg/g VSS) 30.85 22.40 20.91 EPSc (mg/g VSS) 14.6 8.64 8.3 SMPc (mg/l) 13.04 9.12 8.99 SMPp(mg/l) 10.39 7.95 7.48 Figure 4 Change of total concentrations of extracellular polymeric substances at the three SRT values The fractionalization of the organic components of SMP and EPS shown in Figure 6 reveal that EPS consist mainly of large molecules in the range of 0.45 µm 300 kda, while the majority of SMP is composed of very small molecules (<1kDa). The EPS have higher protein concentration than carbohydrate concentration, while the opposite is true for the SMP (Figures 5 & 6). Although the SRT change severely impacts on the concentration of each fraction, it does not impact that much on the actual distribution.

It seems that the relationship between membrane fouling and extracellular polymeric concentration is exponential (Figure 7). EPSp and EPSc comparison Concentrations (mg/gvss) 16.00 14.00 12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 <1kDa 1-10kDa 10-100kDa 100-300kDa 300kDa-0.45µm carbohydrates proteins carbohydrates proteins carbohydrates proteins θc= 10d θc= 20d θc= 33d Figure 5: Fractionalization of EPS components SMPp and SMPc comparison Concentrations (mg/l) 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 <1kDa 1-10kDa 10-100kDa 100-300kDa 300kDa-0.45µm carbohydrates proteins carbohydrates proteins carbohydrates proteins θc=10d θc=20d θc=33d Figure 6: Fractionalization of SMP components

Rate of Permeability Drop (l/m2-h-bar-day) 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 EPSc (mg/g VSS) EPSp(mg/g VSS) SMPp(mg/l) SMPc (mg/l) y = 0.0169e 0.3856x R 2 = 0.9995 y = 0.0157e 0.1649x y = 0.0072e 0.5648x R 2 = 0.9896 y = 0.0664e 0.2505x R 2 = 1 R 2 = 0.9921 0 5 10 15 20 25 30 35 Concentration Figure 7: Rate of Permeability Drop in contact with EPS and SMP concentrations The addition of perlite to the aeration tank did not have the expected results. It was found that this particular adsorptive material not only does not contribute to membranes fouling reduction, but on the contrary it dramatically increases it by 305%. This shows that the particular material (perlite) did not function as an adsorptive means. The addition of perlite increased the solids concentration in the aeration tank by 50-60%. This fact in combination with the elevated temperatures of that particular period impeded the effective distribution of dissolved oxygen in the sludge flocs. This resulted in the low DO levels that were observed in the aeration tank during the period that the perlite was added (0,8 mg/l)

SRT 20 days 160.00 Wastewater Permeability (l/m2-h-bar) 140.00 120.00 100.00 80.00 60.00 40.00 20.00 y = -0.5627x + 254.46 R 2 = 0.9064 ος y = -0.5967x + 305.62 R 2 = 0.9354 y = -2.3562x + 1183.3 R 2 = 0.9646 Perlite use 0.00 320 340 360 380 400 420 440 460 Days of operation Figure 8: Permeability drop of the system for SRT = 20 days with and without perlite addition The main conclusion is that it is more efficient to operate MBR systems at SRT greater than 20 days due to the lower fouling propensity.

1 o ΚΕΦΑΛΑΙΟ : ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η αρχή λειτουργίας των συστημάτων βιοαντιδραστήρα μεμβράνης (ευρέως γνωστά με τον όρο MBR Membrane Bioreactor) είναι παραπλήσια με αυτή του συστήματος της ενεργού ιλύος, μόνο που στα συστήματα MBR καταργείται η ανάγκη χρησιμοποίησης δεξαμενής τελικής καθίζησης αφού χρησιμοποιείται η διήθηση. διαμέσου μεμβρανών προκειμένου να πραγματοποιηθεί ο διαχωρισμός της τελικής εκροής από την ιλύ. Αυτό έχει πολλαπλά πλεονεκτήματα αφού εξαλείφεται η ανάγκη για καλή καθιζησιμότητα της ιλύος, καθώς και όλα τα συνεπαγόμενα προβλήματα καθιζησιμότητας που αντιμετωπίζει το κλασικό σύστημα της ενεργού ιλύος (Van der Roest et al., 2002). Η μεμβράνη αποτελεί ένα ανυπέρβλητο φυσικό εμπόδιο στα αιωρούμενα στερεά με αποτέλεσμα η τελική εκροή να είναι πολύ υψηλής ποιότητας (Visvanathan et al., 2000). Τα συστήματα MBR απομακρύνουν σε πολύ μεγάλο βαθμό τις οργανικές ουσίες. Οι αποδόσεις στην απομάκρυνση του COD κυμαίνονται μεταξύ 90-98%, ενώ σπανίως είναι κάτω από 85%. 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 mg/l. Η κατακράτηση των αιωρούμενων στερεών είναι πλήρης, καθώς οι βιοκροκίδες όσο μικρές και αν είναι, είναι πάντα μεγαλύτερες από τους πόρους των μεμβρανών οι οποίες συνήθως κυμαίνονται μεταξύ 0,02μm 4 µm. Η πλήρης κατακράτηση των αιωρούμενων στερεών, έχει ως αποτέλεσμα και τη σημαντική μείωση του ολικού COD, του οργανικού αζώτου και του ολικού φωσφόρου της τελικής εκροής, με αποτέλεσμα τη βελτίωση της ποιότητας της εκροής σχεδόν σε όλες τις ποιοτικές παραμέτρους. Παρόλα τα πλεονεκτήματα που συγκεντρώνουν τα συστήματα βιοαντιδραστήρα μεμβράνης συγκριτικά με τα συμβατικά συστήματα ενεργού ιλύος, παρουσιάζουν και ορισμένα λειτουργικά προβλήματα τα οποία σχετίζονται κυρίως με την έμφραξη των μεμβρανών. Η έμφραξη των μεμβρανών αυξάνει τη διαμεμβρανική πίεση του συστήματος για δεδομένη ροή διήθησης και αυξάνει σημαντικά το λειτουργικό κόστος, καθώς απαιτείται συχνός καθαρισμός. Η επίδρασή των εξωκυτταρικών πολυμερών κατά την διαδικασία της διήθησης ενός συστήματος (MBR) θεωρείται ο βασικός παράγοντας που επηρεάζει την έμφραξη των συστημάτων MBR. Τα εξωκυτταρικά πολυμερή διακρίνονται στα διαλυτά (SMP) και δεσμευμένα (EPS) εξωκυτταρικά πολυμερή.

Τα SMP θεωρούνται ως τα διαλυτά κυτταρικά συστατικά που απελευθερώνονται κατά τη διάρκεια αερόβιου μεταβολισμού και της λύσης του κυττάρου. Κατά τη βιολογική διαδικασία τα λύματα περιέχουν κλάσμα οργανικών ουσιών (effluent organic matter-) το οποίο προέρχεται από τα SMP ακόμα και όταν η βιολογική επεξεργασία μεγιστοποιείται. Τα SMP θεωρούνται βασικά συστατικά στο ανάμεικτο υγρό των συστημάτων MBR αν πρόκειται να ακολουθήσει περαιτέρω επεξεργασία του διηθήματος για επαναχρησιμοποίηση. Τα SMP θεωρούνται ως τα διαλυτά EPS (διαλυτά μακρομόρια, κολλοειδή και λιπίδια) Τα EPS είναι παράγωγα βιολογικής διεργασίας που συμμετέχουν στο σχηματισμό βιολογικών κροκίδων και αποτελούνται από αδιάλυτα συστατικά (μεμβράνες, πολυμερή, πολυμερή χαλαρών δεσμών).. Είναι γνωστό ότι τα EPS αποτελούνται από πρωτεΐνες, υδατάνθρακες, νουκλεϊκά οξέα, λιπίδια, και χουμικά οξέα με τις πρωτεΐνες και τους υδατάνθρακες να αποτελούν τα κυρίαρχα συστατικά των EPS. Κατά την διάρκεια της διήθησης, τα εξωκυτταρικά πολυμερή προσροφώνται στην επιφάνεια της μεμβράνης, φράζουν τους πόρους και σχηματίζουν μία ζελώδη δομή στην επιφάνεια των μεμβρανών η οποία παρέχει μια πιθανή πηγή θρεπτικών για την δημιουργία βιοφίλμ και δημιουργεί μία υδραυλική αντίσταση στη ροή διήθησης. Η επιθυμητή λειτουργία των MBR είναι να διατηρείται μια υψηλή ροή διήθησης, συνοδευμένη από χαμηλή πτώση πίεσης, το οποίο σημαίνει και υψηλή διαπερατότητα της μεμβράνης. Σκοπός της εργασίας είναι η διερεύνηση των παραμέτρων της ιλύος που επιδρούν στο φαινόμενο της έμφραξης των μεμβρανών σε σύστημα MBR. Αυτό καθίσταται δυνατό με τη λειτουργία πιλοτικού σύστημα MBR το οποίο είναι εγκατεστημένο στο ΚΕΡΕΦΥΤ (Κέντρο Έρευνας και Εφαρμοσμένης Υγειονομικής Τεχνολογίας) της ΕΥΔΑΠ Α.Ε.στη Μεταμόρφωση Αττικής. Το συγκεκριμένο πιλοτικό σύστημα λειτουργεί από τον Οκτώβριο του 2006 και υπάρχουν ήδη αποτελέσματα, για χρόνο παραμονής στερεών (SRT) 10 και 20 ημέρες, συγκρίσιμα μεταξύ τους. Στην παρούσα εργασία οι αναλύσεις που πραγματοποιήθηκαν αφορούσαν: α) τον προσδιορισμό των διαλυτών και δεσμευμένων εξωκυτταρικών πολυμερών (soluble and bound EPS) που παράγονται σε σύστημα βιοαντιδραστήρα μεμβράνης για (SRT)για χρόνο παραμονής στερεών 10, 20 και 33 ημέρες, β)την εξέταση των διαφόρων

κλασμάτων των διαλυτών και δεσμευμένων εξωκυτταρικών πολυμερών με τη χρήση μεμβρανών που έχουν διαφορετικά σημεία αποκοπής, γ)την διερεύνηση της επίπτωσης της προσθήκης περλίτη στο φαινόμενο της έμφραξης των μεμβρανών. Σχετικές πληροφορίες, με την απόδοση των συστημάτων MBR, τα βιολογικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά, τις μεμβράνες που χρησιμοποιούνται, το φαινόμενο της έμφραξης καθώς και άλλα ειδικότερα στοιχεία, καλύπτονται στο 2 ο κεφάλαιο, την Βιβλιογραφική ανασκόπηση. Το πειραματικό πρωτόκολλο που ακολουθήθηκε για το πειραματικό μέρος της εργασίας, αναλύεται στο 3 ο κεφάλαιο. Τα αποτελέσματα που αφορούσαν α)λειτουργικά χαρακτηριστικά του πιλοτικού συστήματος όπως η ροή διήθησης, η διαπερατότητα, η διαμεμβρανική πίεση κ.α β) βιολογικά χαρακτηριστικά όπως συγκέντρωση στερεών του ανάμεικτου υγρού, πτητικά στερεά κ.α γ) φασματοφωτομετρικές μετρήσεις πρωτεϊνών και υδατανθράκων στα εξωκυτταρικά πολυμερή αλλά και δ) σύγκριση αυτών με προηγούμενους κύκλους λειτουργίας του συστήματος, αναλύονται στο 5 ο κεφάλαιο. Τέλος ακολουθεί το 6 ο κεφάλαιο, όπου τονίζονται τα σημαντικότερα σημεία της μελέτης, και σχολιάζονται τα συμπεράσματα που εξάγονται από τα πιο σημαντικά αποτελέσματα της εργασίας.

2ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΒΙΟΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ 2.1 Ιστορικά στοιχεία Η σύλληψη της ιδέας διαχωρισμού των στερεών από την τελική εκροή σε ένα σύστημα ενεργού ιλύος χωρίς την χρήση δεξαμενής τελικής καθίζησης, γίνεται από τους Smith et al. το 1969, οι οποίοι μελέτησαν πειραματικά ένα συνδυασμένο σύστημα ενεργού ιλύος και εξωτερικής διήθησης. Παράλληλα οι Hardt et al. εξέτασαν το διαχωρισμό της ενεργού ιλύος με μεμβράνες Υπερδιύλισης (Stephenson et al., 2000; Gunder, 2001 cited in Malamis, 2004). Πρώτα στην Ιαπωνία εφαρμόστηκε η τεχνολογία χρησιμοποίησης μεμβρανών σε βιολογικούς αντιδραστήρες στα τέλη 70. Μέχρι το 1993, υπήρχαν 39 συστήματα MBR τα οποία χρησιμοποιούνταν για την επεξεργασία των βιομηχανικών και αστικών λυμάτων (Aya, 1994 cited in Malamis, 2004). Τα συστήματα αυτά είχαν τις μεμβράνες τοποθετημένες εξωτερικά των δεξαμενών αερισμού και για αυτό το λόγο είναι γνωστά ως εξωτερικά συστήματα MBR (External MBR). Στα τέλη της δεκαετίας του 1980 με αρχές της δεκαετίας του 1990, άρχισε να δραστηριοποιείται στην κατασκευή συστημάτων ΜΒR για την επεξεργασία βιομηχανικών λυμάτων η Καναδική εταιρεία Zenon Environmental Inc. Το 1982 η Zenon κατασκεύασε το πρώτο της εμπορικά πετυχημένο σύστημα MBR γνωστό ως ZenoGem (Stephenson et al., 2000). Το ZenoGem είχε την καινοτομία της τοποθέτησης των μονάδων των μεμβρανών εσωτερικά της δεξαμενής αερισμού και είναι γνωστό ως βυθιζόμενο ΜΒR (Immersed MBR), (Metcalf & Eddy, 2003). Στα τέλη της δεκαετίας του 80, η Ιαπωνική κυβέρνηση με τη βοήθεια αρκετών μεγάλων εταιρειών αποφάσισε 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 (Cote & Thomson, 1999). 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 άρχισε μετά τα μέσα της δεκαετίας του 90. Μέχρι το 2002 είχαν κατασκευασθεί και λειτουργούσαν πάνω από 1000 μονάδες 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; Van der Roest et al., 2002). 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 (Visvanathan et al., 2000). Το Δεκέμβριο 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. 2.2 Αρχή λειτουργίας του συστήματος MBR Η αρχή λειτουργίας του συστήματος βασίζεται στην διήθηση του ανάμεικτου υγρού προκειμένου να διαχωριστεί η τελική εκροή από την ιλύ (στερεά). Η βιολογική επεξεργασία των λυμάτων πραγματοποιείται κανονικά στους αντιδραστήρες όπως και σε ένα συμβατικό σύστημα (Σχήμα 2.1). Η διήθηση πραγματοποιείται μηχανικά, είτε με την εφαρμογή πίεσης στο ανάμεικτο υγρό του αντιδραστήρα είτε με την εφαρμογή χαμηλής υποπίεσης στο διήθημα, ώστε το διήθημα να περάσει στο εσωτερικό της μεμβράνης 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 τη βαθμιαία 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 το είδος καθαρισμού που απαιτείται εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη διάταξη των μεμβρανών. Σχήμα 2.1 Γενική αρχή λειτουργίας Βιοαντιδραστήρα Μεμβράνης 2.3 Κατηγοριοποίηση συστημάτων MBR ανάλογα με το είδος της διάταξης Τα συστήματα MBR διακρίνονται σε τρία συστήματα ανάλογα με το είδος της διάταξης: στα εξωτερικά συστήματα MBR (External Cross-Flow MBR) στα εσωτερικά βυθιζόμενα συστήματα MBR (Internally Submerged MBR) και στα εξωτερικά βυθιζόμενα συστήματα MBR (External Submerged MBR).

Εξωτερικά συστήματα MBR Δεξαμενή Αερισμού Μεμβράνες Δεξαμενή Αερισμού Μεμβράνες Eσωτερικά βυθιζόμενα συστήματα MBR Eξωτερικά βυθιζόμενα συστήματα MBR Δεξαμενή Αερισμού Μεμβράνες Σχήμα 2.2 Απεικόνιση διατάξεων συστημάτων βιοαντιδραστήρα μεμβράνης (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 βυθιζόμενα 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 εξωτερικό βυθιζόμενο σύστημα αποτελεί μια παραλλαγή των δύο άλλων διατάξεων καθώς οι μεµβράνες 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 βυθιζόμενες διατάξεις, η περίσσεια ιλύς αφαιρείται κατευθείαν από τη δεξαμενή όπου είναι τοποθετημένες οι μεμβράνες (Gander et al., 2000; Van der Roest et al., 2002). Και οι τρεις διατάξεις MBR έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή υφιστάμενων ΕΕΛ. 2.4 Κατηγορίες μεμβρανών που χρησιμοποιούνται Η κατηγοριοποίηση των μεμβρανών μπορεί να γίνει βάσει τριών παραμέτρων: Το διαφορετικό μέγεθος των πόρων των μεμβρανών είναι αυτό που σε μεγάλο βαθμό καθορίζει ποιες ουσίες διαπερνούν τη μεμβράνη και ποιες συγκρατούνται και επομένως προσδιορίζει το είδος της διεργασίας που λαμβάνει χώρα Το υλικό κατασκευής είναι αυτό που καθορίζει τις ιδιότητες της μεµβράνης και το πώς αντιδρά όταν έρχεται σε επαφή με το τροφοδοτούμενο ρεύμα. Η διάταξη των μεμβρανών. 2.4.1 Κατηγορίες μεμβρανών βάσει του μεγέθους των πόρων Οι μεμβράνες διαχωρίζονται σε τέσσερις κατηγορίες βάσει του μεγέθους των πόρων της μεµβράνης που παραπέμπουν σε τέσσερις διαφορετικές διεργασίες μεμβρανών (Metcalf & Eddy, 2003). Αυτές είναι οι εξής: Μικροδιύλιση (Microfiltration). Χρησιμοποιείται για την κατακράτηση ουσιών, των οποίων το μέγεθος κυμαίνεται από 0,08 μm έως 10 μm. Το μέγεθος των πόρων της μεμβράνης συνήθως κυμαίνεται μεταξύ 0,1 μm έως 2μm, ενώ χαρακτηρίζεται από μικρές πιέσεις. Υπερδιύλιση (Ultrafiltration). Εφαρμόζεται για την αφαίρεση ουσιών με μεγέθη από 0,005 μm έως 0,2 μm και αφαιρεί με επιτυχία αιωρούμενα στερεά, βακτήρια και κολλοειδή. Σε αρκετές περιπτώσεις, η υπερδιύλιση εφαρμόζεται για το διαχωρισμό

διαλυτών μακρομοριακών ενώσεων, καθώς το σύστημα έχει τη δυνατότητα αφαίρεσης διαλυτών οργανικών ενώσεων μεγάλου μοριακού βάρους. Τόσο οι μεμβράνες μικροδιύλισης όσο και οι μεμβράνες υπερδιύλισης αδυνατούν να αφαιρέσουν ανόργανες ουσίες (άλατα) και μικρές μονομερείς οργανικές ενώσεις (Noble & Stern, 1995; Metcalf & Eddy, 2003). Στα συστήματα MBR χρησιμοποιούνται είτε μεμβράνες Μικροδιύλισης είτε μεμβράνες Υπερδιύλισης. Νανοδιύλιση (Nanofiltration). Εφαρμόζεται για την αφαίρεση ουσιών με μέγεθος από 0,001-0,01μm. Οι μεμβράνες νανοδιύλισης δεν χρησιμοποιούνται στα συστήματα MBR, καθώς λόγω του μικρού μεγέθους των πόρων και της υψηλής συγκέντρωσης του ανάμεικτου υγρού η γρήγορη έμφραξη των μεμβρανών είναι αναπόφευκτη. Επιπλέον είναι οικονομικά ασύμφορη, λόγω των πολύ αυξημένων απαιτήσεων σε ενέργεια (Nystrom et al., 1995). Αντίστροφη Όσμωση (Reverse Osmosis). Χρησιμοποιείται για την αφαίρεση ανόργανων αλάτων από το υγρό. Επομένως μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πρόσθετο στάδιο επεξεργασίας των λυμάτων μετά τα συστήματα MBR. Με την αντίστροφη όσμωση μπορούν να απομακρυνθούν πάρα πολύ μικρά σωματίδια που κυμαίνονται σε μέγεθος μεταξύ 0,0001-0,001 μm, το χρώμα και η σκληρότητα του νερού και ιόντα όπως του νατρίου, νιτρικά και φωσφορικά (Metcalf & Eddy, 2003). Στο πίνακα 2.1 αναφέρονται ορισμένα χαρακτηριστικά που αφορούν τις διεργασίες των μεμβρανών.

Πίνακας 2.1 Ουσίες που Αφαιρούν οι Διάφορες Διεργασίες Μεµβρανών (Metcalf & Eddy, 2003) Συστατικό Βιοδιασπάσιμα Οργανικά Διεργασία Μεμβρανών Αντίστροφη Μικροδιύλιση Υπερδιύλιση Νανοδιύλιση Όσμωση + ++ ++ ++ Αιωρούμενα Στερεά ++ ++ Διαλυμένα Στερεά ++ ++ Συνθετικά Οργανικά ++ ++ Βακτήρια + ++ ++ ++ Κύστες Πρωτόζωων και Οοκύστες ++ ++ ++ ++ Ιοί + ++ ++ ++ Βαρέα Μέταλλα ++ ++ Σκληρότητα ++ ++ += Περιορισμένη Απόδοση ++= Πολύ Καλή Απόδοση 2.4.2 Κατηγορίες μεμβρανών βάσει του υλικού κατασκευής Το υλικό κατασκευής των μεμβρανών πρέπει να είναι τέτοιο ώστε να επιτρέπει τη διέλευση του διηθήματος με ικανοποιητικά γρήγορο ρυθμό. Ταυτόχρονα, το υλικό της μεμβράνης πρέπει να έχει υψηλή αντίσταση σε παραμορφώσεις που οφείλονται στη διαφορά πίεσης μεταξύ του τροφοδοτούμενου ρεύματος και του διηθήματος. Γι αυτό το λόγο οι μεμβράνες που έχουν πρακτική εφαρμογή είναι συνήθως συνθετικές μεμβράνες αλλά και κάποιες φυσικές (κυτταρίνη), οι οποίες παρουσιάζουν τις παραπάνω ιδιότητες (Seader & Henley, 1998 cited in Malamis, 2004).

Στη μεγάλη πλειοψηφία τους, οι μεμβράνες είναι κατασκευασμένες από πολυμερή όπως είναι το πολυπροπυλένιο, η οξική κυτταρίνη και τα πολυαμίδια. Εναλλακτικά υλικά κατασκευής των μεμβρανών αποτελούν ειδικά κράματα μετάλλων και κεραμικά υλικά. Στα συστήματα MBR, οι περισσότερες μεμβράνες είναι κατασκευασμένες από πολυμερή, όμως υπάρχουν και εφαρμογές συστημάτων με μεταλλικές και κεραμικές μεμβράνες. Ανόργανες μεμβράνες για μικροδιύλιση και Υπερδιύλιση έχουν κατασκευασθεί από οξείδια του αλουμινίου, του τιτανίου και του πυριτίου. 2.4.3 Κατηγορίες μεμβρανών βάσει της διάταξης Οι μεμβράνες των συστημάτων MBR είναι τοποθετημένες μέσα σε μια κλειστή κατασκευή, όπου σχηματίζουν τη λεγόμενη μονάδα (module). Η μονάδα αποτελείται από τις μεμβράνες, με τα κατάλληλα στρώματα υποστήριξης των μεμβρανών, τις υποδοχές εισόδου και εξόδου για το τροφοδοτούμενο ρεύμα, το διήθημα και το συμπύκνωμα και την κατασκευή η οποία στεγάζει όλα τα παραπάνω (Metcalf & Eddy, 2003). Στα συστήματα ΜΒR, oι βασικές διατάξεις που υπάρχουν στις μεμβράνες είναι τρεις: 1) η σωληνοειδής μονάδα (tubular module), 2) η μονάδα με τριχοειδείς κοίλες ίνες (hollowfibre membrane module) και 3) η μονάδα plate and frame (Seader & Henley, 1998 cited in Malamis, 2004). Στον Πίνακα 2.2 γίνεται μια συνοπτική παρουσίαση όλων των μονάδων.

Πίνακας 2.2 Συγκριτική Παρουσίαση των Εναλλακτικών Διατάξεων Μεμβρανών (Stephenson et al., 2000) Διάταξη Λόγος Εμβαδόν/ Όγκος Κόστος Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Εφαρμογές Σωληνοειδής 20-30 Υψηλό κόστος κεφαλαίου Σταυρωτή Ροή Πολύ Εύκολος Μηχανικός Καθαρισμός Υψηλό κόστος Υγρά με υψηλό Υψηλό Εφαρμογή σε νερά με υψηλά TSS αντικατάστασης της μεμβράνης TSS Μπορεί να γίνει αντίστροφη Μικροδιύλιση Ευαίσθητο σε αυξομειώσεις Πολύ πλύση Υπερδιύλιση Κοίλες Ίνες 5000-40000 της πίεσης Χαμηλό Συμπαγής Διάταξη Υγρά με υψηλό Εφαρμογή σε νερά με υψηλά TSS TSS Υπερδιύλιση Plate & Μπορεί να αποσυναρμολογηθεί Δεν μπορεί να γίνει αντίστροφη 400-600 Υψηλό Αντίστροφη frame για καθαρισμό πλύση. Πολύπλοκη διάταξη όσμωση Αντιμετώπ Προβλημά Έµφραξης Πολύ Καλή Μέτρια Καλή

2.4.4 Είδη ροής Υπάρχουν τέσσερα βασικά είδη ροής στις διεργασίες των μεμβρανών. Αυτά είναι τα εξής: Σταυρωτή ροή διήθησης (cross-flow filtration), στην οποία το τροφοδοτούμενο ρεύμα κινείται εφαπτομενικά της επιφάνειας της μεμβράνης. Μέρος του τροφοδοτούμενου ρεύματος διεισδύει στο εσωτερικό της μεμβράνης με αποτέλεσμα η ροή του διηθήματος να πραγματοποιείται κάθετα σε σχέση με την κίνηση του τροφοδοτούμενου ρεύματος Κάθετη ροή διήθησης (dead end filtration), στην οποία το τροφοδοτούμενο ρεύμα κινείται κάθετα στην επιφάνεια της μεμβράνης Συντρέχουσα ροή διήθησης (concurrent flow), κατά την οποία η ροή τροφοδότησης και η ροή του διηθήματος έχουν την ίδια διεύθυνση Αντίθετη ροή διήθησης (counter current flow), κατά την οποία η ροή τροφοδότησης έχει αντίθετη κατεύθυνση από τη ροή διήθησης Στη σταυρωτή ροή η ταχύτητα του τροφοδοτούμενου ρεύματος κατά μήκος της επιφάνειας της μεμβράνης αφαιρεί με την ορμή της ένα μεγάλο μέρος των σωματιδίων που αλλιώς θα επικάθονταν στην επιφάνεια της μεμβράνης. Αυτό συμβαίνει με την προϋπόθεση ότι η ταχύτητα του τροφοδοτούμενου ρεύματος είναι αρκετά υψηλή. Αντίθετα, στην κάθετη ροή η συγκράτηση σωματιδίων στην επιφάνεια της μεμβράνης είναι συνεχής και ανεμπόδιστη, καθώς δεν υπάρχει κάποιος μηχανισμός αφαίρεσης των σωματιδίων που συσσωρεύονται στην επιφάνεια της μεμβράνης (Noble & Stern, 1995). Για αυτό το λόγο στα εμβυθιζόμενα MBR όπου η ροή διήθησης είναι κάθετη, συνδυάζεται με τη σταυρωτή ροή του αέρα που εμφυσάτε στις μεμβράνες. 2.5 Λειτουργικές παράμετροι Το σύστημα MBR έχει δύο ειδών λειτουργικές παραμέτρους: αυτές που σχετίζονται με τις βιολογικές διεργασίες και είναι πανομοιότυπες με αυτές του συστήματος ενεργού ιλύος όπως για παράδειγμα ο χρόνος

παραμονής των στερεών SRT (θ c ), τα αιωρούμενα στερεά του ανάμεικτου υγρού (MLSS), ο υδραυλικός χρόνος παραμονής (θ) και αυτές που σχετίζονται με τη διαδικασία της διήθησης. Καθώς οι βιολογικές λειτουργικές παράμετροι είναι γνωστές δεν αναλύονται στο παρόν κεφάλαιο παρά δίνονται οι τύποι που χρησιμοποιήθηκαν για το πιλοτικό σύστημα ΜΒR στο πειραματικό πρωτόκολλο (Κεφάλαιο 3). Οι βασικές λειτουργικές παράμετροι του συστήματος MBR που σχετίζονται με τη διήθηση των μεµβρανών είναι η ροή του υγρού που διέρχεται μέσα από τη μεμβράνη και η διαφορά πίεσης που αναπτύσσεται μεταξύ των δύο άκρων της μεμβράνης. Η ροή ορίζεται από την ποσότητα υγρού που διαπερνάει τη μεμβράνη ανά μονάδα επιφάνειας ανά μονάδα χρόνου (Van der Roest et al., 2002): Όπου: J = J p (2.1) A J (l/m 2 /h) : Ροή Διηθήματος (Flux) J p (l/h) : Παροχή Διηθήματος (Permeate Flow) Α (m 2 ) : Επιφάνεια Μεμβράνης Η ροή του υγρού διαμέσου της μεμβράνης αποτελεί τη μέση ταχύτητα του υγρού μέσα από τους πόρους της μεμβράνης. Παρότι αποτελεί ταχύτητα (μm/s), στην πράξη αναφέρεται σχεδόν πάντα ως όγκος υγρού ανά επιφάνεια, ανά μονάδα χρόνου (Noble & Stern, 1995). Η ροή του διηθήματος J αποτελεί τη βάση για το σχεδιασμό των συστημάτων MBR, και είναι ανάλογη με το υδραυλικό φορτίο σε ένα συμβατικό φίλτρο. Μια αύξηση της ροής μειώνει την απαιτούμενη επιφάνεια της μεμβράνης για την παραγωγή συγκεκριμένης ποσότητας διηθήματος σε δεδομένο χρόνο. Βέβαια υπάρχουν και άλλοι παράμετροι οι οποίοι επηρεάζουν την όλη διεργασία όπως η πίεση λειτουργίας των μεμβρανών, η θερμοκρασία, η ποιότητα του τροφοδοτούμενου ρεύματος νερού, ο