ιαχείριση υγρών α οβλήτων Χαρακτηριστικά αποβλήτων και λυµάτων (II) V) Φωσφόρος Ο φωσφόρος είναι επίσης σηµαντικό στοιχείο για τη ζωή. Οι συνήθεις µορφές του στα διαλύµατα είναι τα ορθοφωσφορικά PO 4-3, τα πολυφωσφορικά και ο οργανικός φωσφόρος. Τα ορθοφωσφορικά µπορούν να χρησιµοποιηθούν στο βιολογικό µεταβολισµό. Τα πολυφωσφορικά είναι σύµπλοκα δύο ή περισσοτέρων ατόµων P, O και µερικές φορές H. Τα πολυφωσφορικά υφίστανται υδρόλυση σε αργούς ρυθµούς προς ορθοφωσφορικά. 1
VI) Θείο Το θείο είναι απαραίτητο στοιχείο στη σύνθεση των πρωτεϊνών και ελευθερώνεται µε την αποικοδόµησή τους. Τα θειικά µαζί µε οργανικό υπόστρωµα ανάγονται υπό τη δράση βακτηρίων και αναερόβιες συνθήκες σε θειούχα, τα οποία παράγουν υδρόθειο. Οργανική ένωση + SO 4-2 S -2 + H 2 O + CO 2 S -2 + H 2 O H 2 S VII) Υδρόθειο Το υδρόθειο παράγεται από την αναερόβια αποικοδόµηση οργανικών ουσιών που περιέχουν θείο. εν παράγεται όταν υπάρχει περίσσεια οξυγόνου. Είναι άχρωµο, τοξικό και έχει την οσµή χαλασµένων αυγών. Το µαύρισµα των αποβλήτων και της λάσπης οφείλεται συνήθως στην παραγωγή θειούχου σιδήρου (FeS). 2
ΙΧ) Μεθάνιο Αποτελεί το κύριο παραπροϊόν της αναερόβιας αποικοδόµησης του οργανικού υλικού στα απόβλητα. Φυσιολογικά δεν απαντάται σε µεγάλες ποσότητες στα ανεπεξέργαστα απόβλητα γιατί ακόµα και ελάχιστες ποσότητες οξυγόνου είναι τοξικές για τα µεθανοβακτήρια που το παράγουν. Είναι ιδιαίτερα εκρηκτικό και χρειάζεται προσοχή. Οσµές Οι οσµές στα οικιακά απόβλητα προέρχονται κυρίως από τα αέρια που παράγονται κατά την αποικοδόµηση του οργανικού φορτίου. Η πιο χαρακτηριστική οσµή είναι αυτή του υδροθείου. Οι οσµές είναι από τα κυριότερα θέµατα που αφορούν στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας αποβλήτων. Η σηµασία τους εστιάζεται κυρίως στη δυσφορία που προκαλούν στο κοινό παρά σε επιπτώσεις στην υγεία. 3
Κυριότερες ενώσεις µε οσµή ου συσχετίζονται µε τα α όβλητα Ένωση µε οσµή Αµίνες Αµµωνία ιαµίνες Υδρόθειο Μερκαπτάνες Σκατόλη Είδος οσµής Ψάρι Ούρα Χαλασµένο κρέας Χαλασµένα αυγά Χαλασµένο λάχανο Κόπρανα Μέταλλα Πολλά µέταλλα είναι σηµαντικά συστατικά των νερών. Μερικά από αυτά χαρακτηρίζονται ως πρωτογενείς ρύποι. Όλοι οι ζωντανοί οργανισµοί χρειάζονται ποσότητες (µακρο- ή µικρο-) µεταλλικών στοιχείων για τη φυσιολογική ανάπτυξη. Ca, Mg, Fe, Na, K: ουσιώδη µέταλλα. Cr, Co, Cu, Pb, Mn, Mo, Ni, Se, Zn, V: ιχνοστοιχεία 4
Μέταλλα Ακόµα όµως και τα απαραίτητα στοιχεία καθίστανται τοξικά όταν υπάρχουν σε µεγάλες ποσότητες. Όταν γίνεται διάθεση λάσπης σε έδαφος για γεωργική χρήση, πρέπει να προσδιορίζονται τα µέταλλα: As, Cd, Cu, Pb, Hg, Mo, Ni, Se και Zn. Οι κύριες πηγές µετάλλων στα απόβλητα είναι οι απορροές από οικισµούς, το υπέδαφος και τα βιοµηχανικά απόβλητα Πρωτογενείς ρύ οι ροερχόµενοι α ό εµ ορικές, βιοµηχανικές και γεωργικές δραστηριότητες Μέταλλο Χρήση Κίνδυνος Αρσενικό Βιοµηχανία µετάλλων Καρκινογόνο και µεταλλαξιογόνο Βάριο Κάδµιο Χρώµιο Μόλυβδος Αντλίες κενού, ακτίνες-χ Εύφλεκτο σε Θ δωµατίου Επικαλύψεις µετάλλων, µπαταρίες, µυκητοκτόνο Αντιδιαβρωτικό, κράµα µετάλλων, βαφές Μπαταρίες, επικαλύψεις Τοξικό Εύφλεκτο, τοξικό, καρκινογόνο Καρκινογόνο στην εξασθενή µορφή του Υδράργυρος Αµαλγάµατα, καταλύτης Εξαιρετικά τοξικός Σελήνιο Άργυρος Ηλεκτρονικά, κάµερες, ζωοτροφές Ασηµικά, καθρέπτες, οδοντιατρικά εργαλεία Σε µακροχρόνια έκθεση: κόκκινο βάψιµο δοντιών, νυχιών, κατάθλιψη Τοξικό 5
Οργανικά χηµικά χαρακτηριστικά λυµάτων Οι οργανικές ενώσεις αποτελούν συνδυασµό C, O, H και µερικές φορές Ν. Το οργανικό υλικό στα απόβλητα αποτελείται από πρωτεΐνες (40-60%), υδατάνθρακες (25-50%) και λίπη και έλαια (8-12%). Οι αναλύσεις που αφορούν στο οργανικό υλικό διακρίνονται σε αυτές όπου προσδιορίζονται οµάδες οργανικών ενώσεων µε παρόµοια χαρακτηριστικά και σε εκείνες που προσδιορίζουν συγκεκριµένες ενώσεις. Βιοχηµική α οικοδόµηση Οι οργανικές ουσίες που βρίσκονται διαλυµένες ή αιωρούµενες στα λύµατα, µαζί µε µερικά ανόργανα συστατικά, αποτελούν το θρεπτικό υπόστρωµα ανάπτυξης των σαπροφυτικών οργανισµών. Βιοχηµικός µηχανισµός που οδηγεί ι) σε σύνθεση των απαραίτητων ουσιών για την ανάπτυξη των κυττάρων και ιι) σε αποσύνθεση των οργανικών ουσιών για την εξασφάλιση της απαιτούµενης ενέργειας. Ο µηχανισµός καταλήγει στην βιοα οικοδόµηση των οργανικών ουσιών και στη σταδιακή µετατροπή τους σε σταθερά ανόργανα άλατα και αέρια. 6
Η αποικοδόµηση διακρίνεται σε αερόβια και αναερόβια Αερόβια:γίνεται από αερόβιους µικροοργανισµούς (προϋποθέτει την παρουσία ελεύθερου οξυγόνου) Αναερόβια: όταν δεν υπάρχει διαλυµένο οξυγόνο. Τα τελικά προϊόντα της αερόβιας βιοχηµικής αποικοδόµησης (Η 2 Ο, CO 2,NO 3, κλπ) δεν είναι ανθυγιεινά ή ενοχλητικά, ενώ της αναερόβιας (H 2 S, CH 4, NH 3 κλπ) είναι δύσοσµα, τοξικά, ερεθιστικά ή εκρηκτικά. Μηχανισµός (αερόβιος) βιοα οικοδόµησης οργανικών ουσιών Οργανικά απόβλητα & οργανισµοί Νέα κύτταρα Τελικά προϊόντα Η 2 Ο, CO 2, NO 3, ενέργεια οξείδωση Ενδογενής αναπνοή Μη διασπάσιµο κυτταρικό υπόλειµµα 7
Οργανικά χηµικά χαρακτηριστικά λυµάτων Ι) Βιοχηµικά Α αιτούµενο Οξυγόνο (BOD) Η ποσότητα του διαλυµένου οξυγόνου που χρησιµοποιείται από τους αερόβιους µικροοργανισµούς για τη βιοχηµική αποικοδόµηση του οργανικού υλικού ενός δείγµατος. Αποτελεί µέτρο για την εκτίµηση της «πυκνότητας» των λυµάτων, από την πλευρά των ενοχλήσεων που µπορεί να προκαλέσει το οργανικό φορτίο τους στο περιβάλλον (αν αποικοδοµηθεί αναερόβια). Ι) Βιοχηµικά Α αιτούµενο Οξυγόνο (BOD) Ο ρυθµός της βιοχηµικής αποικοδόµησης εξαρτάται µεταξύ άλλων και από τη Θ. Για συνηθισµένα αστικά λύµατα σε 20 C, απαιτείται χρονικό διάστηµα 70-90 ηµερών για την ολοκλήρωση της αερόβιας αποικοδόµησης, ενώ για την αναερόβια απαιτείται δεκαπλάσιο διάστηµα. 8
Ι) Βιοχηµικά Α αιτούµενο Οξυγόνο (BOD) Η αερόβια βιοχηµική αποικοδόµηση των οργανικών ουσιών γίνεται σε δύο στάδια. Στο 1 ο αποικοδοµούνται οι ενώσεις του άνθρακα Στο 2 ο (~10 η ηµέρα) οξειδώνονται οι αζωτούχες ενώσεις (πλέον έχουν αναπτυχθεί τα νιτροβακτήρια). Ι) Βιοχηµικά Α αιτούµενο Οξυγόνο (BOD) Σαν µέτρο χρησιµοποιείται συµβατικά το οξυγόνο που καταναλώνεται τις πρώτες 5 ηµέρες στους 20 C (BOD 5 ) και αντιπροσωπεύει ~ τα 2/3 (68%) του συνολικά απαιτούµενο οξυγόνου για τη 1 η φάση. Εκφράζεται είτε σαν συγκέντρωση στα υγρά (mg/l) είτε σαν συνολικό φορτίο σε ορισµένο χρονικό διάστηµα (kg/ηµέρα). 9
Ι) Βιοχηµικά Α αιτούµενο Οξυγόνο (BOD) Ισοδύναµο ληθυσµού Η µέση τιµή του BOD 5, για κάθε άτοµο, εκτιµάται περίπου για την Ευρώπη σε 54 g/άτοµο/ηµέρα. Αν διαιρεθεί το συνολικό ηµερήσιο BOD 5, µιας πηγής ρύπανσης (βιοµηχανία, κτηνοτροφική µονάδα) µε το ποσό που αντιστοιχεί στο άτοµο (54 g/ άτ ηµ), προκύπτει το πληθυσµιακό ισοδύναµο της πηγής (population equivalent P.E.) από άποψη οργανικού φορτίου. Ι) Βιοχηµικά Α αιτούµενο Οξυγόνο (BOD) Ισοδύναµο ληθυσµού Το πληθυσµιακό ισοδύναµο αποτελεί πρακτικό µέτρο έκφρασης του ρυπαντικού φορτίου. Επιτρέπει σύγκριση συµβολής κάθε πηγής ρύπανσης σε µια περιοχή Εκφράζονται σε ανθρώπινες µονάδες, διάφορες βιοµηχανικές και κτηνοτροφικές εγκαταστάσεις που µπορεί φαινοµενικά να είναι µικρές και να παράγουν περιορισµένο όγκο αποβλήτων αλλά να ισοδυναµούν από πλευράς οργανικού φορτίου µε πολυπληθή κέντρα και τα απόβλητα να χρήζουν σοβαρής επεξεργασίας για την ακίνδυνη διάθεσή τους. 10
Ι) Βιοχηµικά Α αιτούµενο Οξυγόνο (BOD) Ισοδύναµο ληθυσµού Παραδείγµατα Μία χοιροτροφική µονάδα µε 1000 χοιροµητέρες και αντίστοιχο πληθυσµό χοίρων (~9000) ισοδυναµεί µε πόλη ~24000 κατοίκων Ένα µικρό αγροτικό ελαιοτριβείο, δυναµικότητας 5 τόνων ελιές την ηµέρα, ισοδυναµεί µε οικισµό ~1500 κατοίκων. Ι) Βιοχηµικά Α αιτούµενο Οξυγόνο (BOD) Ισοδύναµο ληθυσµού Στην περίπτωση των ζωικών αποβλήτων η ισοδυναµία αυτή είναι χονδρικά µόνο αντιπροσωπευτική γιατί το BOD 5 αυτών των αποβλήτων αποτελεί λιγότερο του 60% του ολικού BOD, ενώ για τα αστικά λύµατα είναι ~80%. Άρα η τελική (συνολική) οργανική φόρτιση του αποδέκτη θα είναι µεγαλύτερη (~ διπλάσια) στην περίπτωση των ζωικών αποβλήτων, από την αντίστοιχη του πληθυσµιακού ισοδυνάµου των αστικών λυµάτων. 11
Μέτρηση BOD Συγκεκριµένος όγκος δείγµατος προστίθεται σε µπουκάλι µαζί µε αποικίες µικροοργανισµών. Στο µπουκάλι υπάρχει µία εσωτερική θέση όπου προστίθεται NaOH. Μετά από έντονη ανάδευση, το µπουκάλι συνδέεται µε ένα µανόµετρο και το σύστηµα κλείνει. Οι µικροοργανισµοί καταναλώνουν το οξυγόνο µέσα στο µπουκάλι και παράγουν διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο δεσµεύεται στο NaOH (NaOH + CO 2 Na 2 CO 3 + H 2 O). Η µείωση (κατανάλωση) του οξυγόνου έχει ως αποτέλεσµα µείωση της πίεσης µέσα στο µπουκάλι. Η µείωση αυτή καταγράφεται στο µανόµετρο και αντιστοιχεί στο ποσό του οξυγόνου που καταναλώθηκε. 12
ΙI) Χηµικά Α αιτούµενο Οξυγόνο (COD) Η ποσότητα του οξειδωτικού παράγοντα, που χρειάζεται για την οξείδωση των οργανικών ουσιών των αποβλήτων µε εργαστηριακά µέσα, ονοµάζεται Χηµικά Α αιτούµενο Οξυγόνο (COD) Συνήθως σαν οξειδωτικό χρησιµοποιείται το διχρωµικό κάλιο σε Θ βρασµού για 2 ώρες µε παρουσία καταλύτη (θειικός άργυρος) C x H y O z + Cr 2 O 7-2 + H + Cr +3 + CO 2 + H 2 O ΙI) Χηµικά Α αιτούµενο Οξυγόνο (COD) Η σχέση του BOD 5 : COD για οικιακά λύµατα κυµαίνεται από 1: 1,25 έως 1:2,5. Για τα βιοµηχανικά απόβλητα µπορεί να φθάσει 1 : 10 ή και περισσότερο. 13
ΙΙΙ) Ολικός οργανικός άνθρακας (TOC) Ένας άλλος τρόπος εκτίµησης του οργανικού υλικού ενός αποβλήτου είναι ο προσδιορισµός του TOC. Γνωστή ποσότητα αποβλήτου θερµαίνεται σε υψηλή Θ, οπότε ο οργανικός άνθρακας οξειδώνεται σε CO 2 παρουσία καταλύτη. Μερικά οργανικά σύµπλοκα µπορεί να µην οξειδωθούν µε αυτόν τον τρόπο και έτσι η µέτρηση TOC να δώσει ελαφρώς χαµηλότερα αποτελέσµατα από την πραγµατική τιµή. Βιολογικά χαρακτηριστικά λυµάτων Ι) Μικρόβια Τα λύµατα περιέχουν διάφορα µικρόβια και νοσογόνους παράγοντες. Οµάδα κολοβακτηριοειδών Εντερόκοκκοι Κλωστηρίδια Παθογόνα εντεροβακτήρια (σαλµονέλλα) Ιοί Εντερικά παράσιτα 14
Ι) Μικρόβια Όταν τα λύµατα διατεθούν σε καθαρό αποδέκτη, τότε τα κολοβακτηρίδια (κατά κανόνα) ελαττώνονται συνεχώς, λόγω δυσµενών συνθηκών περιβάλλοντος και ανταγωνιστικών παραγόντων: ιαφορά Θ Έλλειψη θρεπτικών συστατικών Καθίζηση Υπεριώδης ακτινοβολία Ώσµωση, ph, βαρέα µέταλλα Βακτηριοφάγοι Προβλήµατα καταµέτρησης (Viable but noncultivable) Ρυθµός εξαφάνισης µικροβίων Ο ρυθµός εξαφάνισης των βακτηρίων ακολουθεί το γενικό νόµο σύµφωνα µε τον οποίο σε κάθε µονάδα χρόνου εξαφανίζεται ορισµένο ποσοστό πληθυσµού: dn/dt = -kn ln N/N 0 = -kt N/N 0 = e -kt N/N 0 = 10 -k t Όπου Ν και Ν 0 ο αριθµός των βακτηρίων σε χρόνο t και 0 αντίστοιχα k η σταθερά εξαφάνισης των βακτηρίων k : 0,4343k 15
Συντελεστής Τ 90 Ο χρόνος που απαιτείται για την ελάττωση του αριθµού των µικροοργανισµών στο υδάτινο περιβάλλον κατά 90% (Τ 90 ), αποτελεί σηµαντική πληροφορία για την εκτίµηση της ικανότητας αυτοκαθαρισµού του αποδέκτη και τον υπολογισµό της απόστασης που πρέπει να γίνει η εκβολή των λυµάτων από περιοχές υγειονοµικής σηµασίας (πχ. ακτές) Έχει βρεθεί για κολοβακτηριοειδή µε Θ νερού 15-25 C, T 90 =61 λεπτά στο φως και 29 ώρες στο σκοτάδι ΙΙ) Σα ροφυτικοί οργανισµοί Οργανισµοί που αναπτύσσονται στα λύµατα και στα επιφανειακά νερά και ζουν σε βάρος των οργανικών ουσιών που τις διασπούν και τις αφοµοιώνουν. Παίζουν σηµαντικό ρόλο στη φυσική διαδικασία καθαρισµού µε τη µετατροπή των ασταθών οργανικών ουσιών (ή και ανόργανων πχ NH 3 ) σε σταθερές ανόργανες ενώσεις και την παράλληλη καταστροφή των διαφόρων παθογόνων µικροβίων. Ουσιαστικά αποτελούν τους εργάτες που χρησιµοποιεί ο άνθρωπος για την επεξεργασία καθαρισµού αποβλήτων 16
ΙΙ) Σα ροφυτικοί οργανισµοί ιακρίνονται Ανάλογα µε την πηγή C σε: αυτότροφους (που χρησιµοποιούν το CO 2 ) και ετερότροφους (που διασπούν µόνο οργανικές ενώσεις) ΙΙ) Σα ροφυτικοί οργανισµοί ιακρίνονται Ανάλογα µε την ικανότητα να χρησιµοποιούν το οξυγόνο σε: Αερόβιους : χρησιµοποιούν µόνο ελεύθερο µοριακό οξυγόνο για αναπνοή. Αναερόβιους: χρησιµοποιούν το χηµικά δεσµευµένο οξυγόνο των οργανικών ουσιών Επαµφοτερίζοντες: ζουν και στις δύο καταστάσεις. 17
Κυριότεροι µικροοργανισµοί α οικοδόµησης Βακτήρια: µονοκύτταροι, ετερότροφοι ή αυτότροφοι, αναπτύσσονται σε ph 4,0-9,5 (άριστο 6,7-7,5) και Θ από -2 έως 75 C Μύκητες: ετερότροφοι, αναπτύσσονται σε ph 2,0-9,0 (άριστο 5,5), έχουν µικρή απαίτηση σε Ν. Κατάλληλοι για επεξεργασία όξινων βιοµηχανικών αποβλήτων και λιπασµατοποίηση απορριµµάτων. Κυριότεροι µικροοργανισµοί α οικοδόµησης Φύκη: µονοκύτταροι ή πολυκύτταροι, αυτότροφοι, φωτοσυνθετικοί. Ενδεικτικά Φωτοσύνθεση (ηµέρα) CO 2 + 2H 2 O (CH 2 O) + O 2 + H 2 O Αναπνοή (ηµέρα-νύχτα) (CH 2 O) + O 2 CO 2 + H 2 O Ιδιαίτερα αναπτύσσονται και χρησιµοποιούνται στις αερόβιες δεξαµενές σταθεροποίησης 18
Κυριότεροι µικροοργανισµοί α οικοδόµησης Πρωτόζωα: µονοκύτταροι οργανισµοί, κινούµενοι, ετερότροφοι, αερόβιοι (και αναερόβιοι) Τροχόζωα: πολυκύτταροι, αερόβιοι, ετερότροφοι. Καταναλώνουν βακτήρια και οργανικές ουσίες. Οστρακόδερµα: πολυκύτταροι, αερόβιοι, ετερότροφοι Νηµατώδεις, σκουλήκια, προνύµφες εντόµων: καταναλώνουν οργανικές ουσίες και µικροοργανισµούς. Άσκηση 1. Να βρεθεί το ισοδύναµο πληθυσµού βιοµηχανίας γάλακτος που επεξεργάζεται 200 τόνους γάλα την ηµέρα. Παραδοχές: Ποσότητα α οβλήτων Q= 550m 3 /ηµέρα BOD 5 =2300 mg/l (g/m 3 ) 2. Λύµατα από κτηνοτροφική µονάδα έχουν τιµή BOD 5 : 500 mg/l. Που περίπου θα κυµαίνεται η τιµή του COD; 19