ΠΙΛΟΤΙΚΕΣ ΜΟΝΑ ΕΣ ΤΕΧΝΗΤΩΝ ΥΓΡΟΒΙΟΤΟΠΩΝ ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΗΣ ΡΟΗΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΚΑΙ ΙΛΥΟΣ ΑΠΌ ΒΙΟΛΟΓΙΚΟΥΣ ΚΑΘΑΡΙΣΜΟΥΣ Υποψήφιος ιδάκτορας: Α. Στεφανάκης Επιβλέπων Καθηγητής: Β. Τσιχριντζής Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας Τµήµα Μηχανικών Περιβάλλοντος Πολυτεχνική Σχολή Ξάνθης ηµοκρίτειο Πανεπιστήµιο Θράκης www.env.duth.gr/eet
Τεχνητοί Υγροβιότοποι (ΤΥ) Επιφανειακής ροής Υπόγειας ροής: οριζόντιας / κατακόρυφης Πρώτες εφαρµογές: Γερµανία, 1950 Πρώτος πλήρους κλίµακας: Ολλανδία, 1967 Σήµερα: επεξεργασία αστικών /αγροτικών / βιοµηχανικών (µέταλλα, τοξικά) υγρών αποβλήτων, αστική απορροή, απόβλητα γαλακτοκοµείου, επεξεργασία υπόγειων νερών, αφυδάτωση ιλύος Έρευνα εντατικοποίηση τα τελευταία 20 χρόνια
Τεχνητοί Υγροβιότοποι Πλεονεκτήµατα Χρήση φυτών καθαρισµού ικανοποιητική ποιότητα εκροής χαµηλότερο κόστος λειτουργίας - κατασκευής - συντήρησης µικρότερες απαιτήσεις ενέργειας, χρήση ανανεώσιµων πηγών (ηλιακή) όχι εξειδικευµένο προσωπικό ανθεκτικοί σε υψηλές φορτίσεις ευελιξία σχεδιασµού / διαχείρισης κατάλληλοι για αποµακρυσµένες - αγροτικές - ορεινές περιοχές τελικό στάδιο σε αστικά συστήµατα επεξεργασίας αισθητική αναβάθµιση, φιλικοί προς το περιβάλλον, στέγη σε φυτά & άγρια ζώα Μειονεκτήµατα απαίτηση µεγάλων εκτάσεων γης (4-10 φορές σε σχέση µε συµβατικές µεθόδους) απαιτείται µία περίοδος ανάπτυξης της βλάστησης για βέλτιστη απόδοση εξάρτηση από συνθήκες περιβάλλοντος µη σωστή λειτουργία οσµές, έντοµα πιθανοί γεωγραφικοί περιορισµοί για φυτά
Τεχνητοί Υγροβιότοποι Κατακόρυφης Ροής (ΤΥΚΡ) Ευρεία διάδοση στην Ευρώπη Ιδιαίτερα επιτυχηµένοι για κοινότητες < 5000 ΙΚ Επεξεργασία αστικών οικιακών - βιοµηχανικών λυµάτων, απόβλητα γαλακτοκοµείου διϋλιστηρίου πετρελαίου, αφυδάτωση ιλύος Μικρότερη επιφάνεια (2-3 m 2 /IK) σε σχέση µε συστήµατα επιφανειακής ή υπόγειας οριζόντιας ροής (5-10 m 2 /IK)
Περιγραφή Πιλοτικών Μονάδων 21 Τεχνητοί Υγροβιότοποι Κατακόρυφης Ροής: - επεξεργασία υγρών αποβλήτων: W1 W10 - επεξεργασία ιλύος: S1 - S11 Πλαστικές δεξαµενές κυκλικής διατοµής: d = 0,8 m h= 1,5 m Α = 0,57 m 2 α) Στρώµα στράγγισης βάθους 15 cm από κροκάλες β) Υπόλοιπα στρώµατα πορωδών υλικών (µέσο - λεπτό χαλίκι, άµµος) Πορώδη υλικά: ασβεστολιθικό (λατοµείου), ποτάµιο Πρόσθετα υλικά: ζεόλιθος, βωξίτης (ΤΥ λύµατος) Φυτά: καλάµι (Phragmites australis), ψαθί (Typha latifolia) Σωλήνες αερισµού πάνω στο στρώµα στράγγισης Συλλογή εκροής: 10 πλαστικές δεξαµενές των 150 L
Χαρακτηριστικά Πιλοτικών Μονάδων Τεχνητών Υγροβιότοπων για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων Πιλοτική Μονάδα Μέσο χαλίκι Λεπτό χαλίκι Είδος Φυτού Σωλήνες αερισµού Τύπος Τ.Υ. W1 Ασβεστολιθικό Καλάµι W2 Ασβεστολιθικό Ψαθί W3 Ασβεστολιθικό Αφύτευτη W4 W5 Ζεόλιθος 50%Ασβεστολ. 50% Ζεόλιθος Ασβεστολιθικό Ασβεστολιθικό Ναι Ευρωπαϊκός W6 W7 50%Ασβεστολ. Ασβεστολιθικό 50% Βωξίτης Ποτάµιο Καλάµι W8 Ασβεστολιθικό Όχι W9 W10 Ασβεστολιθικό Ποτάµιο Ναι Γαλλικός Αµερικανικός
Πιλοτικές Μονάδες Τεχνητών Υγροβιότοπων Κατακόρυφης Ροής για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων ΕΥΡΩΠΑΪΚΟΣ W1 W8 Άµµος: d 50 = 0,5 mm Λεπτό χαλίκι: d 50 = 6 mm Μέσο χαλίκι: d 50 = 24,4 mm Κροκάλες: d 50 = 90 mm 10 cm 15 cm 10 cm Άµµος Λεπτό χαλίκι Μέσο χαλίκι 15 cm Κροκάλες
Πιλοτικές Μονάδες Τεχνητών Υγροβιότοπων Κατακόρυφης Ροής για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων ΓΑΛΛΙΚΟΣ W9 Λεπτό χαλίκι: d 50 = 6 mm Μέσο χαλίκι: d 50 = 24,4 mm Κροκάλες: d 50 = 90 mm 50 cm 20 cm Λεπτό χαλίκι Μέσο χαλίκι 20 cm Κροκάλες
Πιλοτικές Μονάδες Τεχνητών Υγροβιότοπων Κατακόρυφης Ροής για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων ΑΜΕΡΙΚΑΝΙΚΟΣ W10 Άµµος: d 50 = 0,5 mm Λεπτό χαλίκι: d 50 = 6 mm Μέσο χαλίκι: d 50 = 24,4 mm Κροκάλες: d 50 = 90 mm 30 cm 10 cm 25 cm Άµµος Λεπτό χαλίκι Μέσο χαλίκι 15 cm Κροκάλες
Περιγραφή Τεχνητοί Υγροβιότοποι Κατακόρυφης Ροής Πλαστικές δεξαµενές συλλογής της εκροής
Κατασκευή Στρώµα στράγγισης (κροκάλες) & Σωλήνες αερισµού Ασβεστόλιθος Ζεόλιθος Βωξίτης + Ασβεστολιθικό
Κατασκευή Ιούνιος 2007 Φύτευση φυτών
Λειτουργία Σεπτέµβριος 2007 Έναρξη λειτουργίας
Λειτουργία Μάιος 2008
Πιλοτικές Μονάδες Τεχνητών Υγροβιότοπων Κατακόρυφης Ροής για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων Κατασκευή: Μάιος Ιούνιος 2007 Φύτευση καλαµιών: Ιούνιος 2007 Αρχικά πλήρωση µε νερό για ανάπτυξη φυτών Έναρξη φορτίσεων: Σεπτέµβριος 2007 Τροφοδοσία µε συνθετικό υγρό απόβλητο Φόρτιση υγρή περίοδος: 2 µέρες, 3 φορές/µέρα (ανά 8 ώρες), 37 L/φόρτιση (1,5 m 2 /ΙΚ) ξηρή περίοδος: 6 µέρες (λειτουργία για 4 παράλληλες δεξαµενές) Συλλογή δειγµάτων το πρωί µετά την δεύτερη µέρα φόρτισης Αναλύσεις: BOD 5, COD, TKN, NH 4+ -N, NO 3- -N, NO 2- -N, TP, PO -3 4 -P Συστατικό πεπτόνη καλαµοσάκχαρο ουρία Κ 2 ΗΡΟ 4 ΗCOOH ιχνοστοιχεία Συγκέντρωση 200 mg/l 200 mg/l 60 mg/l NH 4+ -N 10 mg/l PO 4-3 -P 50 mg/l Mg +2 20mg/L Ca +2 20 mg/l Fe +2 < 1 mg/l W +2 < 0,1 mg/l
Πιλοτικές Μονάδες Τεχνητών Υγροβιότοπων Κατακόρυφης Ροής για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων ιερεύνηση Επίδραση Τύπου ΤΥ (ύψος διατοµής) Είδους φύτευσης Πορώδους υλικού (και πρόσθετων) Ύπαρξης ή µη σωλήνων αερισµού Σύγκριση W1 W9 W10 W1 W2 W3 W1 W4 W5 W6 W7 W1 W8
Πιλοτικές Μονάδες Τεχνητών Υγροβιότοπων Κατακόρυφης Ροής για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων Μέσες τιµές ρύπων εισροής και εκροής κάθε πιλοτικής µονάδας (mg/l) n = 23 IN W1 W2 W3 W4 W5 W6 W7 W8 W9 W10 Σύνολο BOD 5 455,2 176,0 163,8 198 167,5 172,9 158,1 134,6 176,8 169,6 98,4 159,7 COD 550,9 236,7 230,2 233,2 247,2 240,9 243,2 225,6 230,3 239,5 155,9 231,1 TKN 65,8 36,2 35,8 40,2 34,6 33,5 38,7 36,3 40,0 40,1 29,0 36,4 NH 4+ -N 47,2 29,8 30,2 32,5 27 26,2 30,3 27,0 31,5 30,8 22,8 28,8 TP 11,1 7,4 7,2 7,7 8,1 8,1 6,8 6,6 6,5 6,8 6,7 7,2 PO 4-3 -P 7,3 5,0 4,9 5,1 4,8 4,6 4,5 4,4 4,6 4,7 4,3 4,7 NO 3- -N 5,1 3,9 3,7 7,8 4,1 4,5 3,4 4,0 4,2 4,7 6,6 4,7 NO 2- -N 0,5 1,0 1,1 1,4 1,0 1,5 0,5 1,4 0,7 0,4 2,1 1,1
Πιλοτικές Μονάδες Τεχνητών Υγροβιότοπων Κατακόρυφης Ροής για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων Μέσες τιµές αποµακρύνσεων ρύπων σε κάθε πιλοτική µονάδα (%) W1 W2 W3 W4 W5 W6 W7 W8 W9 W10 BOD 5 61,8 63,4 59,2 63,3 62,4 65,1 69,5 63,1 63,4 78,4 COD 56,5 56,9 55,4 54,0 55,1 54,6 58,0 55,4 56,2 70,9 TKN 44,6 45,3 38,0 47,1 49,0 41,2 44,0 38,7 37,5 55,5 NH 4+ -N 36,5 36,3 30,5 43,2 45,0 36,5 43,3 33,9 35,0 52,5 TP 29,6 33,7 30,9 28,9 28,4 35,4 36,9 36,8 34,8 38,5 PO 4-3 -P 33,2 35,6 32,2 35,4 37,7 38,8 38,5 35,7 37,3 41,8 Αποµακρύνσεις ρύπων Οργανικού υλικού: BOD 5 68%, COD 62% Αζώτου: TKN 45%, NH 4+ -N 40% Φώσφορου: TP 35%, PO -3 4 -P 36%
Πιλοτικές Μονάδες Τεχνητών Υγροβιότοπων Κατακόρυφης Ροής για την επεξεργασία ιλύος Βασικό πρόβληµα της διαχείρισης υγρών αποβλήτων Παραγωγή µεγάλων ποσοτήτων ενεργού ιλύος 1,2-1,4 kg/άτοµο/d π.χ. για πόλη 100.000 κατοίκων: 200 τόνοι ηµέρα Συνήθεις µέθοδοι διαχείρισης ιλύος στην Ελλάδα: 1. Τη χρήση παχυντήρα βαρύτητας 2. Τη χρήση ταινιοφιλτροπρέσσας 3. Τη χρήση δεξαµενών ξήρανσης άµµου 4. Την απόθεση σε ΧΥΤΑ Εναλλακτική µέθοδος Ηχρήση Τεχνητών υγροβιότοπων
Πιλοτικές Μονάδες Τεχνητών Υγροβιότοπων Κατακόρυφης Ροής για την επεξεργασία ιλύος Κύρια πλεονεκτήµατα: Χαµηλό κόστος κατασκευής Χαµηλό κόστος λειτουργίας Απλή και οικονοµική τεχνολογία Μικρές ποσότητες καλά κοµποστοποιηµένου προϊόντος Η ιλύς εισάγεται περιοδικά και αφυδατώνεται: 1. Μέσω των διασταλλαγµάτων τα οποία διέρχονται από την ιλύ και από τα υποκείµενα στρώµατα αδρανών, που συνιστούν τα στρώµατα στράγγισης 2. Εξατµισοδιαπνοή 3. Εξάτµιση από την επιφάνεια της ιλύος
Μονάδα S1 S2 S3 S4 S5 Χαρακτηριστικά Πιλοτικών Μονάδων Τεχνητών Υγροβιότοπων για την επεξεργασία ιλύος Μέσο χαλίκι Λεπτό χαλίκι Ποτάµιο Ασβεστολιθικό Είδος Φυτού Καλάµι Καλάµι Ψαθί Αφύτευτη Σωλήνες αερισµού Μέγεθος υλικού Φόρτιση (kg/m 2 /y) 75 75 75 75 30 Προσθήκη Cr Όχι S6 Ναι Λεπτόκοκκο 60 S7 Ποτάµιο 75 S8 Καλάµι 30 Ναι S9 60 S10 S11 Όχι Ναι Χονδρόκοκκο 75 75 Όχι
Πιλοτικές Μονάδες Τεχνητών Υγροβιότοπων Κατακόρυφης Ροής για την επεξεργασία ιλύος
Πιλοτικές Μονάδες Τεχνητών Υγροβιότοπων Κατακόρυφης Ροής για την επεξεργασία ιλύος
Πιλοτικές Μονάδες Τεχνητών Υγροβιότοπων Κατακόρυφης Ροής για την επεξεργασία ιλύος Η φόρτιση ξεκίνησε τον Σεπτέµβριο του 2007 και συνεχίζεται Σε όλες τις δεξαµενές εισάγεται ενεργός ιλύς µετά από πάχυνση. Αρχικά οι µονάδες λειτούργησαν µε δύο κύκλους των 14 ηµερών (1 εβδοµάδα φόρτισης και µία εβδοµάδα ανάπαυσης) ώστε να δηµιουργηθεί ένα αρχικό στρώµα ιλύος. Έκτοτε και µέχρι σήµερα, λειτουργούν µε ένα κύκλο 28 ηµερών (7 ηµέρες φόρτισης ακολουθούµενες από 21 ηµέρες ανάπαυσης) Ηπαχυµένη ιλύς προέρχεται από την ΜΕΥΑ της Κοµοτηνής - Ο βιολογικός αυτός είναι µια µονάδα παρατεταµένου αερισµού µε µεγάλο χρόνο παραµονής στην δεξαµενή αερισµού και παράγει µια καλά σταθεροποιηµένη ιλύ
Πιλοτικές Μονάδες Τεχνητών Υγροβιότοπων Κατακόρυφης Ροής για την επεξεργασία ιλύος Χαρακτηριστικά ενεργού ιλύος Παράµετρος TS (%) VS (% TS) TP (mg/g d.w.) TKN (mg/g d.w.) NO 3- -N (mg/g d.w.) NO 2- -N (mg/g d.w.) Συγκέντρωση 3,2 70,9 7,6 56,7 0,690 0,0075
Αποτελέσµατα αφυδάτωσης Μονάδα (H=υψηλή φόρτιση Μ=µέση L=χαµηλή) Συνολικός όγκος ιλύος (L) που έχει προστεθεί Τελικός όγκος ιλύος µετά από 12 κύκλους (L) Μείωση όγκου (%) S1 (H) 833 74,1 91,1 S2 (H) 833 74,1 91,1 S3 (H) 833 114 86,3 S4 (H) 833 125,4 85 S5 (L) 333 17,1 94,9 S6 (M) 666 34,2 94,9 S7 (H) 833 142,5 82,9 S8 (L) 333 22,8 93,1 S9 (M) 666 85,5 87,2 S10 (H) 833 131,1 84,3 S11 (H) 833 74,1 91,1 Μέση τιµή: : 90%
Μέση τιµή TS - VS στις πιλοτικές µονάδες µετά από 13 κύκλους λειτουργίας 80 70 TS VS TS - VS (%) 60 50 40 30 20 10 0 TS VS IN S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 Μέση τιµή TS 17,5% - VS 66%
Μέση τιµή ΤΚΝ στις πιλοτικές µονάδες µετά από 10 κύκλους λειτουργίας 60 50 TKN (mg/g) 40 30 20 10 0 IN S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 Μείωση συγκέντρωσης στο υπόλειµµα ιλύος: 21% (15-30)
Μέση τιµή ΤΡ στις πιλοτικές µονάδες µετά από 10 κύκλους λειτουργίας TP (mg/g) 8 7 6 5 4 3 2 1 0 IN S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 Μείωση συγκέντρωσης στο υπόλειµµα ιλύος: 50% (35-61)
Μέση τιµή NO 3- -N και ΝΟ 2- -Ν στις πιλοτικές µονάδες µετά από 10 κύκλους λειτουργίας 0.8 0.7 NO 3 - -N NO3 - -N (mg/g) 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 Μείωση 35% (15-60) NO2 - -N (mg/g) 0.0 0.010 0.009 0.008 0.007 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 0.000 IN S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 NO 2 - -N IN S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 Μείωση 20% (1-37)
ΤΕΧΝΗΤΟΙ ΥΓΡΟΒΙΟΤΟΠΟΙ ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΗΣ ΡΟΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ - Συµφέρουσα και αποτελεσµατική µέθοδος επεξεργασίας, δεδοµένου ότι λειτουργούν σαν πρώτο στάδιο επεξεργασίας µε παράλληλες όµοιες µονάδες. εύτερο στάδιο αποτελούν συνήθως άλλοι τεχνητοί υγροβιότοποι κατακόρυφης ή οριζόντιας υπόγειας ροής. - Οι αποδόσεις κρίνονται ικανοποιητικές (οργανικά 66%, άζωτο 44%, φώσφορος 36%) από τη στιγµή που οι µονάδες λειτουργούν µόνο 8 µήνες (χωρίς την περίοδο του καλοκαιριού) ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΙΛΥΟΣ ΑΠΌ ΒΙΟΛΟΓΙΚΟΥΣ ΚΑΘΑΡΙΣΜΟΥΣ - Αύξηση TS στην χωνευµένη ιλύ, µείωση ΤΚΝ, ΤΡ, νιτρικών και νιτρωδών - Παρόλο που οι µονάδες είναι σχετικά καινούργιες και λειτούργησαν κυρίως σε χαµηλές θερµοκρασίες, η αφυδάτωση της ιλύος και η οξείδωση οργανικών υλικών (TP, TKN) προχωρούν πολύ ικανοποιητικά, µε τηνµείωση του όγκου να φθάνει ήδη το 90% - Η χωνευµένη ιλύς έχει καλό βαθµό ανοργανοποίησης, όπως δείχνουν οι µειωµένες τιµές ΤP και TKN, σε σχέση µε τιςτιµέςτηςενεργούςιλύος. ΣΥΝΕΧΙΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ - ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ
Τέλος
Μέσες τιµές αποµακρύνσεων ρύπων σε κάθε πιλοτική µονάδα (%) W1 W2 W3 W4 W5 W6 W7 W8 W9 W10 Σύνολο BOD 5 61,8 63,4 59,2 63,3 62,4 65,1 69,5 63,1 63,4 78,4 65,0 COD 56,5 56,9 55,4 54,0 55,1 54,6 58,0 55,4 56,2 70,9 57,3 TKN 44,6 45,3 38,0 47,1 49,0 41,2 44,0 38,7 37,5 55,5 44,1 NH 4+ -N 36,5 36,3 30,5 43,2 45,0 36,5 43,3 33,9 35,0 52,5 39,3 TP 29,6 33,7 30,9 28,9 28,4 35,4 36,9 36,8 34,8 38,5 33,4 PO 4-3 -P 33,2 35,6 32,2 35,4 37,7 38,8 38,5 35,7 37,3 41,8 36,6 * Τύπος: Αµερικάνικος (W10) υψηλότερες αποµακρύνσεις * Ψαθί (Typha) (W2) καλύτερααποτελέσµατα σε σχέση µε καλάµι (Phragmites) (W1) * Αφύτευτη (W3) µικρότερα ποσοστά από φυτεµένες µε ψαθί& καλάµι * Ποτάµιο (W7) καλύτερα αποτελέσµατα από ασβεστολιθικό για οργανικά, φώσφορο / βωξίτης (50%) για φώσφορο (W6) * Σωλήνες αερισµού (W1, W8): φαίνεται να ευνοούν την συγκράτηση ρύπων