Εφαρµογή τεχνολογίας Μεµβρανών σε προωθηµένη επεξεργασία αστικών αποβλήτων µε στόχο την επαναχρησιµοποίηση έσποινα Φυτιλή, Χηµικός Μηχανικός MSc, MBA, Μελετήτρια Έργων Περιβάλλοντος
ΣΚΟΠΙΜΟΤΗΤΑ ΕΠΑΝΑΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΗΣ ΑΣΤΙΚΩΝ ΛΥΜΑΤΩΝ Ποσοτική Υποβάθµιση Υδάτινων Αποθεµάτων Υπεράντληση νερού λόγω γεωργικής δραστηριότητας Υπεράντληση νερού για βιοµηχανική και αστική χρήση Ποιοτική Υποβάθµιση Υδάτινων Αποθεµάτων ιείσδυση θαλασσινού νερού στον υπόγειο υδροφορέα Αύξηση συγκέντρωσης ενώσεων Ν,P και βαρέων µετάλλων και άλλων επικίνδυνων οργανικών ενώσεων σε υπόγεια & επιφανειακά ύδατα Ρύπανση µε φυτοφάρµακα και εντοµοκτόνα
ΤΥΠΙΚΕΣ ΠΕΡΙΠΤΩΣΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΜΕΝΩΝ ΑΣΤΙΚΩΝ ΛΥΜΑΤΩΝ Γεωργική Χρήση (άρδευση εδαφών) Βιοµηχανική Χρήση Περιαστική Χρήση (άρδευση χώρων πρασίνου, πρανών δρόµων, πλύσιµο δρόµων, νερό πυρόσβεσης) Εµπλουτισµός του υπόγειου υδροφορέα (για την προστασία κυρίως από την υφαλµύρωση)
ΣΧΕΤΙΚΗ ΝΟΜΟΘΕΣΙΑ Η διαχείριση υγρών αστικών αποβλήτων για τα κράτη µέλη της Ε.Ε. διέπεται από την οδηγία 91/ 271/ ΕΕC άρθρο 12 παρ.1 :.επεξεργασµένα υγρά απόβλητα θα επαναχρησιµοποιούνται οποτεδήποτε θεωρούνται κατάλληλα.. KYA 5673/400/14.3.97 : εναρµόνιση της εθνικής νοµοθεσίας µε την οδηγία της Ε.Ε. Οδηγία Παγκόσµιου Οργανισµού Υγείας (WHO)( 1989 Μικροβιολογικά κριτήρια ποιότητας για χρησιµοποίηση λυµάτων στη γεωργία Κανονισµός Πολιτείας Καλιφόρνια 1918: ο πρώτος κανονισµός, 1978: τελική διαµόρφωση Βασική παράµετρος θέσπισης κριτηρίων: βαθµός ανθρώπινης έκθεσης στα επαναχρησιµοποιούµενα λύµατα
Ο ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΣΤΗΝ ΠΡΟΩΘΗΜΕΝΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ Στόχος : ιαχωρισµός / αποµάκρυνση αιωρούµενης διαλυµένης κολλοειδούς ύλης από κάποιο υγρό (π.χ. δευτεροβάθµιες εκροές αστικών λυµάτων) Ρόλος της µεµβράνης: επιλεκτική διέλευση συστατικών του υγρού και συγκράτηση ανεπιθύµητων ουσιών
Σχηµατική απεικόνιση λειτουργίας µεµβρανών
ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ Μικροδιήθηση (Microfiltration, MF) Υπερδιήθηση (Ultrafiltration, UF) Νανοδιήθηση (Nanofiltration(, NF) Αντίστροφη Ώσµωση (Reverse( Osmosis,RO) ιάλυση / Ηλεκτροδιάλυση 1. 2. 3. 4. ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗΣ 1. Τύπος υλικού µεµβράνης 2. Φύση της κινητήριας δύναµης επίτευξης του διαχωρισµού 3. Μηχανισµός διαχωρισµού 4. Μέγεθος πόρων µεµβράνης / ικανότητα διαχωρισµού
ΓΕΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ ΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ιεργασία Μεµβράνης Κινητήριος ύναµη Λειτουργίας Μεµβράνης Μέγεθος Πόρων Τυπικό Εύρος Λειτουργίας Μεµβράνης (µm) Περιγραφή του Υγρού που διαπερνά τη µεµβράνη Περιγραφή συγκρατούµενων συστατικών Μικροδιήθηση ιαφορά Υδροστατικής Πίεσης Μακροπόροι (>50nm) 0,08-2,0 νερό + διαλυµένες ουσίες TSS, θολότητα, µερικά βακτήρια+µικρόβια Υπερδιήθηση ιαφορά Υδροστατικής Πίεσης Μεσοπόροι (2-50nm) 0,005-0,2 νερό + µικρού µεγέθους µόρια Κολλοειδή µακροµόρια,τα περισσότερα είδη βακτηριδίων,πρωτεϊνες Νανοδιήθηση ιαφορά Υδροστατικής Πίεσης Μικροπόροι (>2nm) 10-3 -10-2 νερό+πολύ µικρά µόρια, ιόντα µικρά µόρια,µερική σκληρότητα,µικρόβια Αντίστροφη ωσµωση ιαφορά Υδροστατικής Πίεσης Μικροπόροι (>2nm) 10-4 -10-3 νερό+πολύ µικρά µόρια, ιόντα Πολύ µικρά µόρια,χρώµα,σκληρότητα,θειϊκά, Νιτρικά ιόντα ιάλυση ιαφορά Συγκέντρωσης Μεσοπόροι (2-50nm) - νερό + µκρά µόρια Κολλοειδή µακροµόρια,τα περισσότερα είδη βακτηριδίων,πρωτεϊνες Ηλεκτροδιάλυση Ελεκτρεργετική ύναµη Μικροπόροι (>2nm) - νερό + ιόντα ιονίζοντα άλατα
ΥΛΙΚΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ Οι µεµβράνες που χρησιµοποιούνται στην επεξεργασία των λυµάτων είναι κατασκευασµένες από ένα λεπτό φιλµ πάχους 0,20 0,25 µm, µ, το οποίο υποστηρίζεται από µια περισσότερο πορώδη στρώση πάχους 100µm ιάφορα οργανικά και ανόργανα υλικά κατασκευής, κυρίως οργανικής φύσης. π.χ. πολυπροπυλένιο, αρωµατικά πολυαµίδια,tfc (Thin-Film Composite)
Χαρακτηριστικά Απόδοσης ιεργασιών Μεµβρανών Παράµετρος MF UF NF RO Θολότητα >99% 92-99% 92-99% 40-80% TSS 95-98% 97-99,5% 97-99,5% 95-100% TOC 45-65% 35-60% 65-80% 85-95% BOD 75-90% 81% 80-90% 30-60% COD 70-85% 46-70% 85-95% 85-95% Ολικό N ~12% ~16% ~16% Ολικός P ~14% ~26% ~32% Ολικά Κ/βακτηρίδια 100% 90-100% Βακτήρια 100% 95-100% Μικρόβια 99% 99%
Προβλήµατα κατά τη λειτουργία των µεµβρανών Ρύπανση µεµβρανών (membrane( fouling) Ρύπανση µεµβρανών : συσσώρευση σωµατιδίων του ρεύµατος τροφοδοσίας πάνω στη µεµβράνη/φράξιµο πόρων Σηµαντική παράµετρος σχεδιασµού της διεργασίας καθώς επηρεάζει: Απόδοση Τις απαιτήσεις προεπεξεργασίας των λυµάτων Τον καθαρισµό των µεµβρανών Συνολικό κόστος λειτουργίας Συνθήκες λειτουργίας του συστήµατος Μορφές ρύπανσης µεµβρανών Συσσώρευση σωµατιδίων ηµιουργία χηµικών ιζηµάτων λόγω της χηµείας του ρεύµατος τροφοδοσίας Καταστροφή της µεµβράνης λόγω χηµικής αντίδρασης συστατικών της τροφοδοσίας και του υλικού της µεµβράνης
Μηχανισµοί πρόκλησης ρύπανσης µεµβρανών Α) στένεµα πόρων Β) φράξιµο πόρων Γ) σχηµατισµός στρώµατος ακαθαρσιών
Αντιµετώπιση Ρύπανσης Μεµβρανών Προεπεξεργασία ρεύµατος τροφοδοσίας των µεµβρανών (µείωση συγκέντρωσης TSS,βακτηριδίων) Περιοδικό πλύσιµο µε νερό ή αέρα ή µέρος του επεξεργασµένου αποβλήτου Χηµικός καθαρισµός των µεµβρανών (για την αποµάκρυνση συστατικών που δεν αποµακρύνθηκαν κατά το προηγούµενο στάδιο)
Ο ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΣΤΗΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 1. Pretreatment Primary settling Activated sludge Clarifier Filtration Disinfection Πρωτοβάθµια Επεξεργασία ευτεροβάθµια Επεξεργασία MF or UF Disinfection 2. Pretreatment Membrane Bioreactors Irrigation of green areas, sport fields, golf courses, private gardens France < 200 FC/100 ml Australia < 1 FC/100 ml (South Wales) Virus : < 2 PFU/50L Japan < 1 TC/100 ml Florida < 5 mgtss/l Τυπικά διαγράµµατα επεξεργασίας αστικών λυµάτων µε στόχο την επαναχρησιµοποίηση των εκροών
*Ειδική εφαρµοσµένη έρευνα στο Εργαστήριο Τεχνολογίας του Τµήµατος Χηµικών Μηχανικών, Α.Π.Θ. & ΙΤΧΗ Θεσσαλονίκης Ενδεικτικό ιάγραµµα Επεξεργασίας Αστικών Λυµάτων µε επαναχρησιµοποίηση στην γεωργία και τη βιοµηχανία*
Case Study: Η περίπτωση Water Factory 21 στο Orange County-California California, USA Πληθυσµός :~: 2,5 εκ. Παραγωγή 57.000 m 3 /d επεξεργασµένων λυµάτων, διαθέσιµα προς εµπλουτισµό του υπόγειου υδροφορέα της περιοχής 1933: ηµιουργία Φορέα ιαχείρισης του υπόγειου υδροφορέα της περιοχής λόγω της ραγδαίας µείωσης της στάθµης του εξαιτίας της γεωργικής δραστηριότητας και λόγω της διείσδυσης του θαλασσινού νερού 1960: Έναρξη πιλοτικού προγράµµατος επεξεργασίας και επαναχρησιµοποίησης των αστικών λυµάτων, µε τη µορφή του εµπλουτισµού του υπόγειου υδροφορέα - Water Factory 21 Έγχυση µίγµατος επεξεργασµένου αποβλήτου και νερού γεωτρήσεων σε 21 επιλεγµένα σηµεία 1971 : µίγµα 50:50 επεξεργασµένων λυµάτων & νερού γεωτρήσεων 1971 µετά την προσθήκη RO: µίγµα 67:33 1991: έγχυση 100% επεξεργασµένων λυµάτων Τα χαρακτηριστικά των επεξεργασµένων λυµάτων ικανοποιούν τα κριτήρια του πόσιµου νερού, για την πολιτεία της Καλιφόρνια. Εφαρµόζεται προωθηµένη επεξεργασία των αστικών λυµάτων. Χρήση RO.
Φωτογραφίες Εγκαταστάσεων Factory 21
ιάγραµµα Ροής Factory 21
Σύγκριση παραµέτρων ποιότητας του ρεύµατος τροφοδοσίας και εξόδου των RO µεµβρανών Παράµετρος Ρεύµα Τροφοδοσίας Ρεύµα Εξόδου Αγωγιµότητα, µs/cm 3.650 300 TDS, mg/l 2.900 41.7 ph 7,38 5,8 BOD 5, mg/l Ca, mg/l 6,4 0,13 110,5 0,5 Κ, mg/l 42 1,1 Mg, mg/l 93,2 0,4 NO 3 -, mg/l 7 0,7 NO 2 -, mg/l 0,37 N.D. Χλωρίδια,mg/l 780 14,4 Ανόργανος P,mg/l 3,4 0,123
Κόστος Επένδυσης & Λειτουργικό Κόστος Κόστος Επένδυσης ($) 1 Έρευνα & Ανάπτυξη 2.275.000 Εγκαταστάσεις Επεξεργασίας αποβλήτων 13.400.000 RO Λειτουργικό κόστος 2 $/m 3 αποβλήτου τροφοδοσίας Τριτοβάθµια Επεξεργασία (δεν συµπεριλαµβάνεται η RO) 6,34 1,32 Εγκαταστάσεις Έγχυσης επεξεργασµένων αποβλήτων στο έδαφος ιάνοιξη των πηγαδιών 732.000 Ανάµιξη επεξεργασµένων αποβλήτων (62%) & νερό 1.430.000 γεώτρησης (38%) 2,27 Εξοπλισµός RO 3.000.000 Σύνολο 20.837.000 Σύνολο 9,93 1 Τιµές σύµφωνα µε τα δεδοµένα της δεκαετίας 1970 2 Στις τιµές συµπεριλαµβάνεται ενεργειακό κόστος και εργασία
ΣΥΝΟΨΗ Αυξανόµενες ανάγκες σε νερό άρδευσης (εντατικοποίηση της γεωργίας) Πληθυσµιακή αύξηση στα αστικά κέντρα Αυξανόµενη κατανάλωση νερού Βιοµηχανική ανάπτυξη Πολλές µεσογειακές χώρες παρουσιάζουν αρνητικά ισοζύγια διάθεσης & κατανάλωσης νερού Απαραίτητος ο σχεδιασµός & η βελτιστοποίηση της διαχείρισης των υδατικών πόρων µε τη χρήση εξειδικευµένων τεχνολογιών Επαναχρησιµοποίηση λυµάτων = κινητήριος δύναµη της ολοκληρωµένης διαχείρισης νερού Εφαρµογή µιας αξιόπιστης και αποτελεσµατικής επεξεργασίας λύµατα ίσης αξίας µε το φυσικό νερό
ΣΥΝΟΨΗ Η επιτυχής εφαρµογή αυτών των συστηµάτων επαναχρησιµοποίησης νερού απαιτεί: Ανάπτυξη νέων αρχών, εργαλείων + προσεγγίσεων για αποδοτικότερη επεξεργασία Προώθηση του ανακυκλωµένου νερού ως νέο προϊόν Ανάπτυξη νέων πολιτικών + κανονισµών επαναχρησιµοποίησης νερού Περιβαλλοντική εκπαίδευση του κοινού Αν θέλεις να αλλάξεις τον κόσµο πρέπει να αλλάξεις τον άνθρωπο Αν θέλεις να αλλάξεις τον άνθρωπο πρέπει να τον κάνεις να θέλει να αλλάξει