Επεξεργασία Αστικών Λυμάτων με Σύστημα Αναερόβιου Φίλτρου - Λίμνης Σταθεροποίησης

Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, Ι, τεύχ. 1 22, Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 1 45 Επεξεργασία Αστικών Λυμάτων με Σύστημα Αναερόβιου Φίλτρου - Λίμνης Σταθεροποίησης ΙΩΑΝΝΗΣ Δ. ΜΑΝΑΡΙΩΤΗΣ Λέκτορας Π.Δ. 47/198 Πανεπιστημίου Πατρών ΣΩΤΗΡΙΟΣ Γ. ΓΡΗΓΟΡΟΠΟΥΛΟΣ Ομότιμος Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών Περίληψη Η εργασία αυτή αξιολογεί τη δυνατότητα ενός χαμηλού κόστους συστήματος που συνδυάζει το αναερόβιο φίλτρο με τη λίμνη σταθεροποίησης να επιφέρει ικανοποιητική επεξεργασία αστικών λυμάτων, και παρουσιάζει τα πειραματικά αποτελέσματα από τη λειτουργία ενός πιλοτικού συστήματος για διάστημα 8,5 μηνών, όταν τροφοδοτείτο με λύματα από κεντρικό υπόνομο της Πάτρας. Το ανοδικής ροής αναερόβιο φίλτρο είχε όγκο 12,5 L, πληρωτικό υλικό χαλίκια και λειτούργησε με ΥΧΠ,5 έως 3, d, ΟΦ,13 έως,96 kg XAO/m 3.d, σε δύο επίπεδα θερμοκρασίας, 22,6 έως 28,8 o C και 14,8 o C, ενώ η επαμφοτερίζουσα λίμνη σταθεροποίησης είχε επιφάνεια,36 m 2 και λειτούργησε με ΥΧΠ 4,9 έως 9,8 d, ΟΦ 19 έως 75 kg BAO 5 /ha.d σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. H αφαίρεση ΧΑΟ, ΒΑΟ 5 και ΑΣ στο φίλτρο κυμάνθηκε από 5, έως 82,%, 5,3 έως 83,7% και 7,4 έως 91,%, αντίστοιχα, και η μέση αφαίρεση του συστήματος σε όρους ΧΑΟ ήταν 81,6% (68,5 έως 9,5%) και ΑΣ 9,% (52,2 έως 98,8%). Με επιλογή κατάλληλων λειτουργικών παραμέτρων σε συσχέτιση με τις αναμενόμενες θερμοκρασιακές συνθήκες, το σύστημα αυτό μπορεί επιτύχει τα όρια διάθεσης αστικών λυμάτων που αντιστοιχούν σε δευτεροβάθμια επεξεργασία. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η αναερόβια διεργασία έχει παραδοσιακά χρησιμοποιηθεί στη σταθεροποίηση της ιλύος που προκύπτει από το μηχανικό ή βιολογικό καθαρισμό αστικών λυμάτων και βιομηχανικών αποβλήτων [1] και στην επεξεργασία οικιακών λυμάτων με επιτόπιες σηπτικές δεξαμενές ή παρόμοια συστήματα [2,3,4]. Η διεργασία έχει βρει εφαρμογή στην επεξεργασία ισχυρών αγροτικών και βιομηχανικών αποβλήτων [5,6], ενώ τελευταία υπάρχει αυξανόμενο ενδιαφέρον για την απευθείας επεξεργασία αστικών λυμάτων με ταχύρρυθμα συστήματα, ιδιαίτερα σε χώρες με υψηλή μέση ετήσια θερμοκρασία [7,8,9,1], και εξετάζεται η αξιοποίηση της διεργασίας στην αναβάθμιση οργανικά υπερφορτωμένων συστημάτων [11]. Η απευθείας αναερόβια επεξεργασία ασθενών αποβλήτων παρουσιάζει ορισμένες ιδιαιτερότητες που οφείλονται στη μειωμένη ισχύ και τα χαρακτηριστικά του υποστρώματος (χαμηλή συγκέντρωση διαλυτού οργανικού υλικού, υψηλή συγκέντρωση αιωρούμενου υλικού) και στις υψηλές υδραυλικές φορτίσεις που πρέπει να εφαρμοστούν. Η μεγάλη υδραυλική φόρτιση μπορεί να προκαλέσει απώλεια βιομάζας και η χρήση συστημάτων με αυξημένη δυνατότητα συγκράτησής της είναι επιβεβλημένη. Τέτοια συστήματα περιλαμβάνουν μονάδες τύπου επαφής και UASB, φίλτρα ανοδικής ή καθοδικής ροής, αντιδραστήρες διαστελλόμενης ή ρευστοστερεάς κλίνης, αντιδραστήρες με χωρίσματα ή με εναλλασσόμενες φάσεις λειτουργίας και υβριδικούς αντιδραστήρες [12,13,14,15]. Η αναερόβια επεξεργασία αστικών λυμάτων σε σύγκριση με την αερόβια επεξεργασία προσφέρει το πλεονέκτημα του χαμηλού κόστους, αλλά παρουσιάζει το μειονέκτημα της μειωμένης απόδοσης. Η αδυναμία επίτευξης σε συστηματική βάση των προβλεπόμενων ορίων εκπομπής [16] είναι ένας σημαντικός λόγος για τη μη ευρεία εφαρμογή της και η ανάγκη βελτίωσης της ποιότητας της εκροής, τόσο σε όρους οργανικού υλικού όσο και θρεπτικών, οδήγησε στην προσθήκη επιπλέον σταδίων στο αναερόβιο σύστημα. Έχει εκτιμηθεί ότι το αρχικό κόστος ενός αναερόβιου αντιδραστήρα τύπου UASB είναι μειωμένο κατά 5% σε σχέση με αυτό ενός συστήματος ενεργού ιλύος, ενώ η μείωση στο λειτουργικό κόστος είναι μεγαλύτερη από 5%, αν συνυπολογιστεί και το κόστος διάθεσης της ιλύος [13]. Επίσης, έχει αναφερθεί ότι το αρχικό και λειτουργικό κόστος ενός συστήματος, που περιλαμβάνει αναερόβια επεξεργασία ακολουθούμενη από αερόβια μετεπεξεργασία ή από λίμνη σταθεροποίησης, είναι μικρότερο από το αντίστοιχο ενός αερόβιου συστήματος τύπου ενεργού ιλύος ή χαλικοδιυλιστηρίου [13,17]. Οι λίμνες σταθεροποίησης είναι χαμηλού κόστους φυσικά συστήματα επεξεργασίας που έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στην επεξεργασία αστικών και βιομηχανικών αποβλήτων. Οι επαμφοτερίζουσες λίμνες, με τυπικό βάθος 1,2 έως 2,5 m και ΥΧΠ 5 έως 3 d, αποτελούν το συχνότερα εφαρμοζόμενο σύστημα για την αφαίρεση οργανικού υλικού και στερεών και τον έλεγχο των παθογόνων οργανισμών [18]. Αναερόβιες λίμνες έχουν τοποθετηθεί πριν από επαμφοτερίζουσες με στόχο τη μείωση της απαιτούμενης γης [19]. Επίσης, λίμνες σταθεροποίησης σε συνδυασμό με άλλους τύπους, όπως λίμνες ωρίμανσης, λίμνες με υδροχαρή φυτά και λίμνες με ψάρια, έχουν χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση της ποιότητας αναερόβια επεξεργασμένων αστικών λυμάτων (σε όρους οργανικού υλικού, θρεπτικών, παθογόνων οργανισμών) με στόχο την ασφαλή επαναχρησιμοποίησή τους σε άνυδρες ή ημιάνυδρες περιοχές ή τη χρήση τους για την καλλιέργεια ιχθύων [2,21,22,23]. Υποβλήθηκε: 14.5.21 Έγινε δεκτή: 25.1.22

46 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, Ι, τεύχ. 1 22, Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 1 Η αφαίρεση αζώτου και φωσφόρου στις λίμνες σταθεροποίησης επιτυγχάνεται με την αφομοίωσή τους από τα βακτήρια και τα φύκη [24] και άλλους μηχανισμούς. Η νιτροποίηση και απονιτροποίηση, η αφομοίωση από τα φύκη και η απομάκρυνση της αμμωνίας στην αέρια φάση είναι οι κυριότεροι μηχανισμοί για την αφαίρεση του αζώτου [25,26]. H αύξηση του ph, του ΥΧΠ και της θερμοκρασίας ευνοεί την αφαίρεση της αμμωνίας [26]. Η χαμηλή θερμοκρασία (15 ο C) επηρεάζει σημαντικά τη νιτροποίηση [27], όμως σε μεγάλους ΥΧΠ υψηλότερος ρυθμός νιτροποίησης έχει παρατηρηθεί τους χειμερινούς μήνες εξαιτίας της αυξημένης παρουσίας φυτοπλαγκτόν [25]. Υψηλά επίπεδα αφαίρεσης θρεπτικών μπορούν να επιτευχθούν σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες (άνω των 2 ο C) χρησιμοποιώντας καλά σχεδιασμένες λίμνες σταθεροποίησης, οι οποίες περιλαμβάνουν και μικρού βάθους λίμνες ωρίμανσης [28,29]. Η επεξεργασία αστικών λυμάτων έως σήμερα βασίζεται κυρίως στη χρήση της αερόβιας διεργασίας και η πλειονότητα (87,8%) των εγκαταστάσεων επεξεργασίας, που έχουν δρομολογηθεί στην Ελλάδα, αφορά συστήματα ενεργού ιλύος [3]. Παρ ότι οι υπάρχουσες και υπό κατασκευή εγκαταστάσεις καλύπτουν σε σημαντικό βαθμό τις απαιτήσεις των μεγάλων αστικών κέντρων, υπάρχει ανάγκη δημιουργίας εγκαταστάσεων σε μικρούς δήμους, κοινότητες και οικισμούς. Οι εγκαταστάσεις αυτές, που βασικά αποτελούν αποκεντρωμένες μονάδες, θα πρέπει να βασιστούν στη χρήση συστημάτων επεξεργασίας με μικρό λειτουργικό κόστος και μειωμένες απαιτήσεις παρακολούθησης. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι να παρουσιάσει τα ευρήματα μιας πειραματικής μελέτης που εξέτασε τη χρήση ενός χαμηλού κόστους συστήματος για την επεξεργασία αστικών λυμάτων, το οποίο περιλαμβάνει την αναερόβια διεργασία ως αρχικό στάδιο σταθεροποίησης και ένα φυσικό σύστημα για τη βελτίωση της ποιότητας της αναερόβιας εκροής. Συγκεκριμένα δίδονται τα αποτελέσματα από τη συνδυασμένη λειτουργία ενός αναερόβιου φίλτρου και μιας επαμφοτερίζουσας λίμνης σταθεροποίησης που επεξεργάστηκαν αστικά λύματα για χρονικό διάστημα 8,5 μηνών κάτω από μεταβαλλόμενες συνθήκες ΥΧΠ, ΟΦ και θερμοκρασίας. Η εργασία αυτή αποτελεί τμήμα μιας εκτεταμένης ερευνητικής μελέτης με στόχο τη διερεύνηση της απευθείας αναερόβιας επεξεργασίας ασθενών αποβλήτων με χρήση φίλτρων ανοδικής ροής και αντιδραστήρων με χωρίσματα [31]. Συμβολισμοί/Abbreviations AE ΑΛ/MW ΑΣ/ΤSS Αναερόβια εκροή/anaerobic effluent Αστικά λύματα/municipal wastewater Αιωρούμενα στερεά/total suspended solids BAO 5 /BOD 5 Βιοχημικά απαιτούμενο οξυγόνο (5 d, ΔΟ/DO 2 o C)/Biochemical oxygen demand (5 d, 2 o C) Διαλυμένο οξυγόνο/dissolved oxygen ΔΧΑΟ/SCOD ΕΛ/LE ΙΠ/PE NH 4 -N OKA/TKN Διαλυτό XAO/Soluble COD Εκροή λίμνης/lagoon (pond) effluent Ισοδύναμος πληθυσμός/population equivalent Αμμωνιακό άζωτο/ammonium nitrogen Ολικό άζωτο κατά Kjeldahl/Total Kjeldahl nitrogen Ολικό-Ν/Total-N Ολικό άζωτο/total nitrogen Ολικός-P/Total-P Ολικός φώσφορος/total phosphorus Οξειδ-Ν/Oxid-N Οξειδωμένο άζωτο/oxidized nitrogen Οργ-Ν/Org-N ΟΦ/OLR ΠΑΣ/VSS T ΥΧΠ/HRT XAO/COD UASB Οργανικό άζωτο/organic nitrogen Οργανική φόρτιση/organic loading rate Πτητικά ΑΣ/Volatile TSS Θερμοκρασία/Temperature Υδραυλικός χρόνος παραμονής/ Hydraulic retention time Χημικά απαιτούμενο οξυγόνο/ Chemical oxygen demand Αναερόβιος αντιδραστήρας ανοδικής ροής διά μέσου στρώματος ιλύος/ Upflow anaerobic sludge blanket reactor 2. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΜΕΛΕΤΗΣ 2.1. Πειραματικό σύστημα Τo πειραματικό σύστημα αποτελείτο από ένα αναερόβιο φίλτρο ανοδικής ροής, το οποίο είχε τοποθετηθεί σε επισκέψιμο θάλαμο ελεγχόμενης θερμοκρασίας και μία λίμνη σταθεροποίησης που λειτούργησε σε υπαίθριο χώρο παραπλεύρως του εργαστηρίου. Η διάταξη του συστήματος και οι διαστάσεις και άλλα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά των μονάδων του δίνονται στο σχήμα 1. Το αναερόβιο φίλτρο κατασκευάστηκε από σωλήνα plexiglas και στον πυθμένα του είχε τοποθετηθεί διάτρητη πλάκα για την καλύτερη διανομή των λυμάτων και την υποστήριξη του τυχαία τοποθετημένου πληρωτικού υλικού. Η εκροή συλλεγόταν μέσω διάταξης διαχωρισμού αερίου-υγρού σχήματος «U» και το παραγόμενο αέριο διοχετευόταν σε φιάλη που περιείχε κορεσμένο διάλυμα χλωριούχου νατρίου με 15% κ.ο. πυκνό θειικό οξύ. Η λίμνη οξείδωσης κατασκευάστηκε από λαμαρίνα σε σχήμα κύβου και τα τοιχώματά της επενδύθηκαν με διαφανές πλαστικό φιλμ. Η τροφοδοσία της λίμνης γινόταν με δίδυμους κατακόρυφους σωλήνες 1 mm που έφθαναν 1 cm από τον πυθμένα και η εκροή παραλαμβανόταν από το κέντρο του πλευρικού τοιχώματος με ελεύθερο σιφωνι-

Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, Ι, τεύχ. 1 22, Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 1 47 Biogas collection Effluent from other filters µ Separation µ Municipal wastewater Pump Anaerobic effluent Pump µ Lagoon effluent. /Anaerobic filter. µ /Stabilization pond : µ x 14,3 x 92 cm, 1,5-2,4 cm, 12,5 L,,46, µ µ µ. Filter: Diameter x height 14.3 x 92 cm, packing material crushed rock with 1.5-2.4 cm, packed-bed volume 12.5 L, void volume ratio.46, kept in a temperature controlled room. µ : x x 62,5 x 62,5 x 53-55 cm,,36 m 2, µ 191-198 L,, µ. Pond: Length x width x depth 62.5 x 62.5 x 53-55 cm, surface area.36 m 2, working volume 191-198 L, placed outside the laboratory, protected with transparent plastic roof sheeting. Σχήμα 1. Διάταξη πειραματικού συστήματος. Figure 1. Experimental system arrangement. σμό σε βάθος 5 cm από την ελεύθερη επιφάνεια του υγρού. Για την προστασία από τη βροχή είχε τοποθετηθεί διαφανές στέγαστρο από κυματοειδές πλαστικό φύλλο σε ύψος 7 cm από τη στέψη της λίμνης. Τα αστικά λύματα, που τροφοδοτήθηκαν στο σύστημα, συλλέγονταν σε καθημερινή βάση από κεντρικό υπόνομο της Πάτρας, μεταφέρονταν στο εργαστήριο και τοποθετούντο στο ειδικό δοχείο, όπου διατηρούντο σε θερμοκρασία περιβάλλοντος κατά την τροφοδότηση του φίλτρου. Η εκροή του φίλτρου λαμβανόταν σε 24-ωρη βάση σε δοχείο και μεταφερόταν στο δοχείο από το οποίο τροφοδοτείτο η λίμνη, όπου, όταν απαιτείτο, συμπληρωνόταν με εκροή δύο άλλων αναερόβιων φίλτρων με διαφορετικό πληρωτικό υλικό (κεραμικά σαμάρια, λείοι πλαστικοί δακτύλιοι) που λειτουργούσαν παράλληλα με το ίδιο υπόστρωμα αστικών λυμάτων. Η τροφοδότηση των φίλτρων και της λίμνης γινόταν με περισταλτικές αντλίες (1 έως 1 L/h) που ενεργοποιούντο με χρονοδιακόπτη για το κατάλληλο χρονικό διάστημα. 2.2. Αναλυτικοί προσδιορισμοί Η συμπεριφορά του αναερόβιου φίλτρου αξιολογήθηκε με το συστηματικό προσδιορισμό στην εισροή και εκροή του ΧΑΟ, ΔΧΑΟ, ΒΑΟ 5, ΑΣ και ph, ενώ σε λιγότερο τακτά χρονικά διαστήματα προσδιορίζονταν η αλκαλικότητα, ΝΗ 4 -Ν, ΟΚΑ και Ολικός-Ρ. Αντίστοιχα, η συμπεριφορά της λίμνης σταθεροποίησης αξιολογήθηκε με το συστηματικό προσδιορισμό του ΧΑΟ, ΔΧΑΟ, ΒΑΟ 5, ΑΣ, ΝΗ 4 -Ν, ΟΚΑ και Ολικού-Ρ, ενώ λιγότερο συχνά προσδιορίζονταν το Οξειδ-Ν, αλκαλικότητα και ph. Για τις μετρήσεις αυτές χρησιμοποιήθηκαν μέσα ημερήσια δείγματα. Επιπλέον, ελέγχονταν ο όγκος και η σύσταση του βιοαερίου που παραγόταν στο φίλτρο, το ΔΟ και η θερμοκρασία σε τρία βάθη της λίμνης και η ένταση του ηλιακού φωτός πάνω και κάτω από το διαφανές στέγαστρό της. Όλοι οι προσδιορισμοί έγιναν σύμφωνα με τις Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater [32], με εξαίρεση τον προσδιορισμό του Οξειδ- Ν για τον οποίο χρησιμοποιήθηκε μέθοδος που καθοριζόταν σε προγενέστερη έκδοση των προτύπων [33]. 2.3. Πειραματική προσομοίωση Η εκκίνηση του αναερόβιου φίλτρου άρχισε το Μάιο 1992 με εκροή από αναερόβιους αντιδραστήρες κλασικού τύπου που τροφοδοτούντο με οικιακά λύματα. Το φίλτρο λειτουργούσε για διάστημα 2 ετών πριν τη σύνδεση με τη λίμνη σταθεροποίησης. Το πρώτο έτος τροφοδοτήθηκε με οικιακά λύματα ενισχυμένα με σκυλοτροφή και στη συνέχεια με αστικά. Στο τελευταίο αυτό διάστημα λειτούργησε σε επίπεδο ΥΧΠ,83 έως 3,1 d και ΟΦ,116 έως,494 kg ΧΑΟ/m 3.d. Παρόμοιο ήταν το ιστορικό των δύο άλλων φίλτρων που χρησιμοποιήθηκαν για τη συμπλήρωση της αναερόβιας εκροής, η οποία τροφοδοτήθηκε στη λίμνη [34]. Η εκκίνηση της λίμνης σταθεροποίησης άρχισε τον Ιανουάριο 1994 με τη σταδιακή προσθήκη νερού βρύσης και λυμάτων και στη συνέχεια την περιστασιακή προσθήκη αναερόβια

48 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, Ι, τεύχ. 1 22, Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 1 επεξεργασμένων λυμάτων. Καθημερινή τροφοδότηση με αναερόβια εκροή άρχισε το Μάιο 1994 και η συστηματική παρακολούθηση της λειτουργίας της ακολούθησε 2,5 μήνες μετά, αφού είχε επιτευχθεί ένα ικανοποιητικό επίπεδο αφαίρεσης οργανικού υλικού και στερεών. 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του αναερόβιου φίλτρου και της λίμνης σταθεροποίησης παρουσιάζονται στον πίνακα 1. Ο ΥΧΠ στο φίλτρο κυμάνθηκε από,5 έως 3, d και η ΟΦ από,129 έως,961 kg XAO/m 3.d. Ο ΥΧΠ στη λίμνη κυμάνθηκε από 4,9 έως 9,8 d και η ΟΦ από 19 έως 75 kg BAO 5 /ha.d. Οι ημερήσιες διακυμάνσεις του οργανικού υλικού και των στερεών στην εισροή και εκροή του αναερόβιου φίλτρου και της λίμνης σταθεροποίησης, σε όρους ΧΑΟ, ΒΑΟ 5, ΔΧΑΟ και ΑΣ, παρουσιάζονται γραφικά στα σχήματα 2 και 3. Οι μέσες τιμές στην εισροή και εκροή του φίλτρου και της λίμνης για κάθε περίοδο λειτουργίας, σε όρους ΧΑΟ, ΔΧΑΟ, ΒΑΟ 5, ΑΣ, ΝΗ 4 -Ν, ΟΚΑ και Ολικού-Ρ, δίνονται στον πίνακα 2, ενώ επιπρόσθετα για τη λίμνη δίνονται και τιμές Οξειδ-Ν στην εκροή της. Πίνακας 1. Λειτουργικά χαρακτηριστικά αναερόβιου φίλτρου και λίμνης σταθεροποίησης. Table 1. Operating characteristics of anaerobic filter and stabilization pond. / µ / Period Days o C d* ** /Anaerobic filter 3/8-6/9/94 1-35 28,8,83,67 7/9-22/1/94 36-81 25,4,5,961 25/1-8/11/94 84-98 24,4 3,,129 9/11-5/12/94 99-125 23,4 2,,267 6/12-23/12/94 126-143 22,9 1,,521 28/12/94-148-184 22,6,5,917 2/2/95 5/2-27/2/95 187-29 23,3 1,,52 28/2-11/4/95 21-252 14,8 1,,48 µ /Stabilization pond 3/8-15/9/94 1-44 23-3 9,8 19 16/9-16/11/94 45-16 12-28 4,9 75 17/11/94-17-187 7-14 6,5 72 5/2/95 6/2-22/3/95 188-232 8-16 9,8 32 23/3-11/4/95 233-252 16-19 6,5 63 * µ /Computed on an empty bed basis. ** E kg XAO/m 3.d kg BAO 5 /ha.d µ /Expressed in kg COD/m 3.d for the filter and kg BOD 5 /ha.d for the pond. YX, d XAO, mg/l BAO 5, mg/l, mg/l, mg/l 3 1,5 1 75 5 25 4 3 2 1 4 3 2 1 8 6 4 2 /Influent /Effluent 5 1 15 2 25 µ /Day of operation Σχήμα 2. Διακύμανση οργανικού υλικού και στερεών - Αναερόβιο φίλτρο. Figure 2. Organic matter and solids variation - Anaerobic filter. Η συγκέντρωση του ΧΑΟ στην εκροή του αναερόβιου φίλτρου παρουσίασε μεγάλη διακύμανση (σχήμα 2) λόγω του εύρους της υδραυλικής φόρτισης που επιβλήθηκε. Θα πρέπει, επίσης, να σημειωθεί ότι στο αναφερόμενο διάστημα το φίλτρο υποβλήθηκε σε 8 δειγματοληψίες καθ ύψος και 2 εκκενώσεις του υγρού περιεχομένου του, δράσεις οι οποίες συντέλεσαν στην αυξημένη παρουσία οργανικού υλικού και στερεών στην εκροή. Ως αποτέλεσμα, ενώ αρχικά (4 d) το ΧΑΟ στην εκροή ήταν μικρότερο από 125 mg/l, στη συνέχεια με τις συνεχείς εναλλαγές του ΥΧΠ και των προαναφερθεισών δράσεων η συγκέντρωση αυξήθηκε σημαντικά. Το ΔΧΑΟ, με ελάχιστες εξαιρέσεις, ήταν μικρότερο από 125 mg/l, ενώ το ΒΑΟ 5 γενικά παρέμεινε κάτω από το επίπεδο των 1 mg/l. H συγκέντρωση των ΑΣ, παρόμοια με το ΧΑΟ, ήταν μικρότερη από 6 mg/l τις πρώτες 4 d, στη συνέχεια όμως είχε αυξημένες τιμές.

Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, Ι, τεύχ. 1 22, Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 1 49, d, mg/l BAO 5, mg/l, mg/l, mg/l 14 7 4 3 2 1 1 75 5 25 16 12 8 4 12 9 6 3 /Influent /Effluent 5 1 15 2 25 µ /Day of operation Σχήμα 3. Διακύμανση οργανικού υλικού και στερεών - Λίμνη σταθεροποίησης. Figure 3. Organic matter and solids variation - Stabilization pond. Το ΧΑΟ στην εκροή της λίμνης (σχήμα 3) ήταν κατά το μεγαλύτερο χρονικό διάστημα μικρότερο από 125 mg/l, ικανοποιώντας τα όρια διάθεσης αστικών λυμάτων μετά από δευτεροβάθμιο καθαρισμό. Σημαντική συμβολή στην υψηλή συγκέντρωση οργανικού υλικού στην εκροή είχε η παρουσία φυκών και το ΔΧΑΟ ήταν πολύ μικρότερο. Η συγκέντρωση των ΑΣ κατά το αρχικό διάστημα και προς το τέλος της μελέτης ήταν μεγαλύτερη από 35 mg/l, ενώ το ΒΑΟ 5 ήταν στην περιοχή των 25 mg/l. H συγκέντρωση του ΝΗ 4 -Ν στην εκροή του φίλτρου (πίνακας 2) αυξήθηκε λόγω της υδρόλυσης του Οργ-Ν με αποτέλεσμα μικρή μείωση του ΟΚΑ. Η μέση αύξηση του ΝΗ 4 -Ν στην εκροή ήταν 12%, ενώ η μέση μείωση του ΟΚΑ 9%. Η συγκέντρωση του ΝΗ 4 -Ν στην εκροή της λίμνης ήταν μικρότερη από 15 mg/l τις πρώτες 6 d (έως το τέλος Σεπτεμβρίου) για να αυξηθεί στη συνέχεια, φτάνοντας σε ορισμένες περιπτώσεις τιμές μεγαλύτερες από την εισροή, ενώ προς το τέλος της μελέτης μειώθηκε πάλι στο αρχικό επίπεδο. Παρόμοια τάση ακολούθησε και το ΟΚΑ, ενώ το Οξειδ-Ν κατά το χρονικό διάστημα που μετρήθηκε (24/6 έως 5/12/94) κυμάνθηκε από έως 12 mg/l. Ο Ολικός-Ρ παρουσίασε μείωση στην εκροή της λίμνης με μέσες τιμές 3,2 έως 6,4 mg/l. Το ph των ανεπεξέργαστων λυμάτων κυμάνθηκε από 6,9 έως 8,6, στην εκροή του φίλτρου ήταν 6,8 έως 7,5 και αντίστοιχα στην εισροή της λίμνης 7, έως 7,7, ενώ στην εκροή της λίμνης παρουσίασε αυξημένες τιμές 7,5 έως 1,6. Η αλκαλικότητα στην εκροή του φίλτρου ήταν σε υψηλότερο επίπεδο απ ό,τι στην εισροή (μέση τιμή 432 έναντι 513 mg/l ως CαCO 3 ), αντανακλώντας μέση αύξηση 19%, αποτέλεσμα του σχηματισμού όξινου ανθρακικού αμμωνίου. Αντίθετα, η αλκαλικότητα στην εκροή της λίμνης ήταν μικρότερη απ ό,τι στην εισροή (376 έναντι 484 mg/l ως CαCO 3 ), αντανακλώντας μέση μείωση 22%, και αυτό οφειλόταν στην εξαγωγή διοξειδίου του άνθρακα από την αλκαλικότητα για την παραγωγή κυτταρικού υλικού από τα φύκη, με παράλληλη αύξηση του ph [35]. Η διακύμανση ΔΟ στη λίμνη κατά τη διάρκεια της ημέρας, που κυμάνθηκε από μηδενική τιμή έως επίπεδο υπερκορεσμού, έδειξε ότι η λίμνη λειτουργούσε ως επαμφοτερίζον σύστημα. Οι μέσες αφαιρέσεις των διαφόρων χαρακτηριστικών, που παρατηρήθηκαν στο αναερόβιο φίλτρο και τη λίμνη σταθεροποίησης σε κάθε περίοδο κατά το διάστημα της μελέτης (8,5 μήνες), συνοψίζονται στον πίνακα 3. Το αναερόβιο φίλτρο στο διάστημα αυτό λειτούργησε υπό έντονα μεταβαλλόμενες συνθήκες ΥΧΠ,5 έως 3, d (που αντιστοιχούσε σε ΟΦ,13 έως,96 kg XAO/m 3.d) και υποβλήθηκε σε συχνές δειγματοληψίες καθ ύψος και εκκενώσεις του περιεχομένου του, ενώ είχε προηγηθεί και η συνεχής λειτουργία του για περισσότερο από 2 έτη. Αντίθετα, η λίμνη σταθεροποίησης λειτούργησε σε σχετικά μικρότερο εύρος ΥΧΠ 4,9 έως 9,8 d (ΟΦ 19 έως 75 kg ΒΑΟ 5 /ha.d) και είχε προηγηθεί περιορισμένος χρόνος συνεχούς τροφοδότησής της με αναερόβια εκροή. Η μέση αφαίρεση ΧΑΟ, ΒΑΟ 5 και ΑΣ στο φίλτρο κυμάνθηκε από 5, έως 82,%, 5,3 έως 83,7% και 7,4 έως 91,%, αντίστοιχα, και η αφαίρεση ΔΧΑΟ ήταν 12,1 έως 73,9%. Η αφαίρεση Ολικού-Ν και Ολικού-Ρ ήταν περιορισμένη 7, έως 11,2% και,1 έως 3,9%, ενώ πρέπει να αναφερθεί ότι παρατηρήθηκαν και αρνητικές ημερήσιες αφαιρέσεις που οφείλονταν στη διακύμανση της συγκέντρωσης των θρεπτικών στα τροφοδοτούμενα λύματα. Η αφαίρεση οργανικού υλικού και στερεών στη λίμνη σταθεροποίησης ήταν περισσότερο περιορισμένη, οι ποσοστιαίες τιμές εξαρτώντο από τις συγκεντρώσεις εισόδου στη λίμνη, ενώ σημαντική επιρροή είχε το γεγονός ότι το ευκολοδιασπάσιμο υλικό είχε ήδη απομακρυνθεί καθώς και η παρουσία φυκών στην εκροή. Αφαίρεση Ολικού-Ν παρατηρήθηκε σε επίπεδο 13,1 έως 76,6% (το υψηλότερο επίπεδο παρατηρήθηκε στο διάστημα Αυγούστου-Σεπτεμβρίου), ενώ η μέση αφαίρεση Ολικού-Ρ κυμάνθηκε από 19,1 έως 61,%. Χαμηλές αφαιρέσεις ΒΑΟ 5 και ΑΣ έχουν παρατηρηθεί σε επαμφοτερίζουσες λίμνες σταθεροποίησης οι οποίες τροφοδοτούντο με αναερόβια επεξεργασμένα αστικά λύματα

5 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, Ι, τεύχ. 1 22, Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 1 Πίνακας 2. Επεξεργασία αστικών λυμάτων με σύστημα αναερόβιου φίλτρου-λίμνης σταθεροποίησης - Μέσες συγκεντρώσεις*. Table 2. Municipal wastewater treatment with an anaerobic filter-stabilization pond system - Average concentration data*. / /Influent /Effluent Period B 5 NH 4 -N - B 5 NH 4 -N - - mg/l /Anaerobic filter 3/8-6/9/94 54 211 247 257 57 76 7,4 89 46 37 23 64 68 5,2 7/9-22/1/94 48 146 227 294 54 73 5,4 198 14 89 83 6 67 6, 25/1-8/11/94 388 16 154 396 63 76 5,3 123 66 36 47 68 7 6,8 9/11-5/12/94 534 221 276 242 6 77 8,6 175 94 96 38 64 68 6,8 6/12-23/12/94 521 196 256 257 66 89 8,3 184 1 86 47 74 8 7,5 28/12/94-2/2/95 458 135 232 26 53 73 7,7 26 92 89 56 57 67 6,2 5/2-27/2/95 52 188 288 171 51 7 8,1 222 117 11 52 59 65 7,6 28/2-11/4/95 48 179 224 237 79 14 9,4 213 92 9 54 87 95 7,6 µ /Stabilization pond 3/8-15/9/94 93 55 34 18 54 61 5,5 82 28 18 54 7 9 4 3,2 16/9-16/11/94 222 98 68 73 62 74 7,6 7 33 17 12 45 46 12 4,1 17/11/94-5/2/95 195 88 86 74 48 56 9, 93 59 33 15 39 51 6,4 6/2-22/3/95 175 96 58 59 58 6 7,9 89 48 25 18 6 4-6,3 23/3-11/4/95 196 62 76 69 25 28 8,8 14 5 23 36 2 1-5,4 * µ µ µ /Average values have been computed using all the available data for each period. Πίνακας 3. Επεξεργασία αστικών λυμάτων με σύστημα αναερόβιου φίλτρου-λίμνης σταθεροποίησης - Μέση αφαίρεση*. Table 3. Municipal wastewater treatment with an anaerobic filter-stabilization pond system - Average removal efficiency*. /Period 5 - ** - /Removal, % /Anaerobic filter 3/8-6/9/94 82, 73,9 83,7 91, 1,7 3,9 7/9-22/1/94 5, 12,1 5,3 74, 7,,1 25/1-8/11/94 68, 13,5 76,1 82,5 7,9-9/11-5/12/94 65,9 6,5 62,8 83,2 11,2 2,4 6/12-23/12/94 65,3 55,6 65,6 8,6 1,1 9,6 28/12/94-2/2/95 54,1 23,6 59, 7,4 8,5 19, 5/2-27/2/95 56,8 28,5 64,6 72,7 7,1 3,8 28/2-11/4/95 53,8 41,1 55,7 75,3 8,3 18,3 µ /Stabilization pond 3/8-15/9/94 11, - 44, < 76,6 36,3 16/9-16/11/94 6,6 67,4 71,8 82,9 13,1 29,8 17/11/94-5/2/95 35,1 3, 58,1 7,8-19,1 6/2-22/3/95 47,5 6, 56, 68,5-27,2 23/3-11/4/95 45,1 19,4 69,7 39,4-61, * µ µ µ /Removal efficiency has been computed using all the available pairs of influent and effluent data for each period. ** - µ µ µ + - µ /Total-N was taken equal to TKN in the filter influent and effluent and to the sum TKN+Oxid-N in the pond effluent. σε αντιδραστήρα UASB [2]. Έχει, επίσης, αναφερθεί ότι αναερόβια επεξεργασμένα αστικά λύματα σε μονάδα τύπου επαφής μετά από μετεπεξεργασία σε λίμνη οξείδωσης με ΟΦ 236 kg BAO 5 /ha.d είχαν συγκέντρωση ΒΑΟ 5 και ΑΣ στην εκροή 53 και 7 mg/l και αφαίρεση ΒΑΟ 5 53% [12]. H ημερήσια διακύμανση στην αφαίρεση ΧΑΟ και ΑΣ στο αναερόβιο φίλτρο, τη λίμνη σταθεροποίησης και το συνολικό σύστημα παρουσιάζεται γραφικά στο σχήμα 4 και αντανακλά τιμές που έχουν υπολογιστεί με βάση τις συγκεντρώσεις που μετρήθηκαν στα τροφοδοτούμενα στο φίλτρο λύματα. Τα στοιχεία αυτά δείχνουν ότι η μέση αφαίρεση του συστήματος σε όρους ΧΑΟ ήταν 81,6% (με εύρος 68,5 έως 9,5%) και ΑΣ 9,% (με εύρος 52,2 έως 98,8%). Η συμπεριφορά συνεπώς του συστήματος ήταν αρκετά ικανοποιητική, όμως η επίτευξη των ορίων εκπομπής που αντιστοιχούν σε δευτεροβάθμια επεξεργασία δεν ήταν πάντα εφικτή. Iσχύουσες προδιαγραφές για δευτεροβάθμια και ανώτερη από δευτεροβάθμια (έλεγχος θρεπτικών, ΙΠ 1. έως 1.) επεξεργασία συνοψίζονται στον πίνακα που ακολουθεί [16]. 5 - -, mg/l 125 25 35 15 2, % 75 7-9 9 7-8 8

Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, Ι, τεύχ. 1 22, Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 1 51 /Removal, % /Removal A, % 1 8 6 4 2 1 8 6 4 2 /Filter µ /Pond µ /System 5 1 15 2 25 µ /Day of operation Σημ.: Οι αφαιρέσεις έχουν υπολογιστεί με βάση τις συγκεντρώσεις εισόδου στο φίλτρο. Note: Removals have been computed on the basis of filter influent concentrations. Σχήμα 4. Επεξεργασία αστικών λυμάτων με σύστημα αναερόβιου φίλτρου-λίμνης σταθεροποίησης - Αφαίρεση ΧΑΟ και ΑΣ. Figure 4. Municipal wastewater treatment with an anaerobic filterstabilization pond system - COD and TSS removal. Η επίτευξη των προδιαγραφών δευτεροβάθμιας επεξεργασίας από το σύστημα θα ήταν εφικτή με κατάλληλη επιλογή των τιμών των παραμέτρων που αντιστοιχούν σε χαρακτηριστικές θερμοκρασιακές συνθήκες (σχήμα 5). Η συγκέντρωση του ΧΑΟ, ΒΑΟ 5 και ΑΣ στα ανεπεξέργαστα λύματα, την αναερόβια εκροή και την εκροή της λίμνης δίδονται για τις δυσμενείς χειμερινές συνθήκες (σχήμα 5α) και τις ευνοϊκές θερινές-φθινοπωρινές συνθήκες (σχήμα 5β). Στην πρώτη περίπτωση το αναερόβιο φίλτρο λειτούργησε με ΥΧΠ 1, d και ΟΦ,5 kg XAO/m 3.d σε θερμοκρασία 15 o C, ενώ η λίμνη σταθεροποίησης με ΥΧΠ 6,5 d και ΟΦ 72 kg BAO 5 /ha.d σε θερμοκρασία 7 έως 14 o C. Στη δεύτερη περίπτωση το φίλτρο λειτούργησε με ΥΧΠ,5 d, ΟΦ,92 kg XAO/m 3.d σε θερμοκρασία 25 ο C και η λίμνη σταθεροποίησης με ΥΧΠ 4,9 d, ΟΦ 75 kg BAO 5 /ha.d σε θερμοκρασία 12 έως 28 o C. Και στις δύο αυτές συνθήκες η εκροή ικανοποιούσε ουσιαστικά τα όρια εκπομπής, ενώ το σύστημα θα μπορούσε να επεξεργαστεί αυξημένο φορτίο λυμάτων κατά την τουριστική περίοδο, όπως συχνά απαιτείται. Συμπερασματικά το σύστημα αναερόβιου φίλτρουλίμνης σταθεροποίησης προσφέρει μια αποδεκτή λύση για το βιολογικό καθαρισμό αστικών λυμάτων ιδιαίτερα σε περιοχές με μικρό πληθυσμό ή σε τουριστικές περιοχές. Η μειωμένη απόδοση, που αναμένεται να παρατηρηθεί κατά τους χειμερινούς μήνες, μπορεί να αντιμετωπιστεί με την αύξηση του ΥΧΠ λόγω της μικρότερης παροχής λυμάτων, με αποτέλεσμα και τα δύο στάδια να λειτουργούν κάτω από ηπιότερες συνθήκες φόρτισης, επιτρέποντας την επίτευξη των ορίων εκπομπής κατά το μεγαλύτερο διάστημα του έτους. Ενδεικτική είναι η βελτίωση στην ποιότητα της εκροής της λίμνης την περίοδο 6/2-22/3, όταν λειτούργησε με μεγαλύτερο ΥΧΠ απ ό,τι την προηγούμενη περίοδο (9,8 έναντι 6,5 d) σε παρόμοιο θερμοκρασιακό περιβάλλον (πίνακες 1 και 2). Κατά τη θερινή περίοδο ίσως απαιτηθεί καλύτερος έλεγχος στερεών στην εκροή λόγω της αυξημένης ανάπτυξης φυκών και της διαφυγής τους στην εκροή. Σημειώνεται πάντως ότι ειδικά όρια εκπομπής ισχύουν για λίμνες σταθεροποίησης (ΧΑΟ και ΒΑΟ 5 σε διηθημένο δείγμα 125 και 25 mg/l, ΑΣ 15 mg/l) [16]. Η αφαίρεση θρεπτικών, αν απαιτείται λόγω διάθεσης σε ευαίσθητο αποδέκτη, θα μπορούσε να βελτιωθεί με την προσθήκη στο τρένο επεξεργασίας αβαθούς λίμνης ωρίμανσης [28,29]. Τέλος, η ύπαρξη του αρχικού αναερόβιου σταδίου θα μειώσει σημαντικά το οργανικό φορτίο στην επαμφοτερίζουσα λίμνη, περιορίζοντας ουσιαστικά την απαιτούμενη επιφάνεια και το αρχικό κόστος κατασκευής της. /Concentration, mg/l 5 4 3 2 1 /MW /AE /LE XAO BAO5 5 5. /Filter:,5 d, T 25,4 o C µ /Pond: 4,9 d, T 12-28 o C 5 4 3 2 1 XAO BAO5 5. /Filter: YX 1, d, 14,8 o C. µ /Pond: YX 6,5 d, T 7-14 o C. Σχήμα 5. Δευτεροβάθμια επεξεργασία αστικών λυμάτων με σύστημα αναερόβιου φίλτρου-λίμνης σταθεροποίησης. Figure 5. Secondary municipal wastewater treatment with an anaerobic filter-stabilization pond system.

52 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, Ι, τεύχ. 1 22, Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 1 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ To αναερόβιο φίλτρο λειτούργησε ως αρχικό στάδιο για την επεξεργασία αστικών λυμάτων με ΥΧΠ,5 έως 3, d, ΟΦ,13 έως,96 kg XAO/m 3.d και σε δύο επίπεδα θερμοκρασίας 22,6 έως 28,8 o C και 14,8 o C. H αφαίρεση ΧΑΟ, ΒΑΟ 5 και ΑΣ κυμάνθηκε από 5, έως 82,%, 5,3 έως 83,7% και 7,4 έως 91,%, αντίστοιχα. Η λίμνη σταθεροποίησης χρησιμοποιήθηκε ως πρόσθετο στάδιο για τη βελτίωση της ποιότητας της αναερόβιας εκροής και λειτούργησε με ΥΧΠ 4,9 έως 9,8 d, ΟΦ 19 έως 75 kg BAO 5 /ha.d σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η ποιότητα των αναερόβια επεξεργασμένων λυμάτων βελτιώθηκε σημαντικά σε όρους οργανικού υλικού και στερεών, ικανοποιώντας τα όρια διάθεσης αστικών λυμάτων μετά από δευτεροβάθμια επεξεργασία κατά το μεγαλύτερο χρονικό διάστημα της μελέτης. Η αφαίρεση αζώτου και φωσφόρου παρουσίασε μεγάλη διακύμανση αλλά βασικά ήταν περιορισμένη, ιδιαίτερα στο αναερόβιο στάδιο. Πρόσθετη αφαίρεση επιτεύχθηκε στη λίμνη σταθεροποίησης, όπου υπήρχαν ενδείξεις νιτροποίησης σε ορισμένες χρονικές περιόδους. Το σύστημα αναερόβιου φίλτρου-λίμνης σταθεροποίησης ήταν ικανό για την αποτελεσματική επεξεργασία των αστικών λυμάτων και αποτελεί ένα βιολογικό σύστημα καθαρισμού χαμηλού κόστους. Ευχαριστίες Η εργασία αυτή υποστηρίχτηκε εν μέρει με υποτροφία Ειδικού Μεπταπτυχιακού Υποτρόφου του Πανεπιστημίου Πατρών. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Metcalf & Eddy, Inc., Tchobanoglous, G., Burton, F.L., Wastewater Engineering, Treatment, Disposal, and Reuse, 3rd edition, McGraw- Hill, Inc., Singapore, 1991. 2. McCarty P.L., One Hundred Years of Anaerobic Treatment, Anaerobic Digestion 1981, Proc. of the 2 nd International Symposium on Anaerobic Digestion, Elsevier, Amsterdam, 1982, pp. 3-22. 3. Zhao Y.Z. and Wu L.B., Anaerobic Treatment of Domestic Sewage in China, Anaerobic Digestion 1988, Proc. of the 5 th International Symposium on Anaerobic Digestion, Pergamon Press, Oxford, 1988, pp. 173-183. 4. Switzenbaum, M.S., Obstacles in the Implementation of Anaerobic Treatment Technology, Bioresource Technology, 1995, vol. 53, 3, pp. 255-262. 5. IAWPRC, Anaerobic Treatment Technology for Municipal and Industrial Wastewaters, Proc. of the IAWPRC International Specialized Workshop, 199, Water Science & Technology, 1991, vol. 24, 8. 6. Roig, M.G., Martin Rodriguez, M.J., Cachaza, J.M., Mendoza Sanchez, L., Kennedy, J.F., Principles of Biotechnological Treatment of Industrial Wastes, Critical Reviews in Biotechnology, 1993, vol. 13, 2, pp. 99-116. 7. Jewell, J.J., Anaerobic Sewage Treatment, Environmental Science & Technology, 1987, vol. 21, 1, pp. 14-21. 8. Alaerts, G.J., Veenstra, S., Bentvelsen, M., van Duijl, L.A., Feasibility of Anaerobic Sewage Treatment in Sanitation Strategies in Developing Countries, Water Science & Technology, 1993, vol. 27, 1, pp. 179-186. 9. Lettinga, G., Sustainable Integrated Biological Wastewater Treatment, Water Science & Technology, 1996, vol. 33, 3, pp. 85-98. 1. Verstraete, W., Vandevivere, P., New and Broader Applications of Anaerobic Digestion, Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 1999, vol. 28, 2, pp. 151-173. 11. Alderman, B.J., Theis, T.L., Collins, A.G., Optimal Design for Anaerobic Pretreatment of Municipal Wastewater, Journal of Environmental Engineering, 1998, vol. 124, 1, pp. 4-1. 12. Fall, E.B.Jr., Krauss, L.S., The Anaerobic Contact Process in Practice, Journal Water Pollution Control Federation, 1961, vol. 33, 1, pp. 138-146. 13. Mergaert, K., Vanderhaegen, B., Verstraete, W., Review Paper. Applicability and Trends of Anaerobic Pre-Treatment of Municipal Wastewater, Water Research, 1992, vol. 26, 8, pp. 125-133. 14. Ndon, U.J., Dague, R.R., Effects of Temperature and Hydraulic Retention Time on Anaerobic Sequencing Batch Reactor Treatment of Low- Strength Wastewater, Water Research, 1997, vol. 31, 1, pp. 2455-2466. 15. Barber, W.P., Stuckey, D.C., The Use of the Anaerobic Baffled Reactor (ABR) for Wastewater Treatment: A Review, Water Research, 1999, vol. 33, 7, pp. 1559-1578. 16. Υ. Α. Οικ. 5673/4, Μέτρα και Όροι για την Επεξεργασία Αστικών Λυμάτων, Εφημερίς της Κυβερνήσεως της Ελληνικής Δημοκρατίας, 1997, ΦΕΚ 192/Β. 17. Schellinkhout, A., Collazos, C.J., Full-Scale Application of the UASB Technology for Sewage Treatment, Water Science & Technology, 1992, vol. 25, 7, pp. 159-166. 18. WEF, Natural Systems for Wastewater Treatment, Manual of Practice FD-16, Water Environment Federation, Alexandria, VA, 199. 19. Pearson, H.W., Expanding the Horizons of Pond Technology and Application in an Environmentally Conscious World, Water Science & Technology, 1996, vol. 33, 7, pp. 1-9. 2. Dixo, N.G.H., Gambrill, M.P., Catunda, P.F.C., van Haandel, A.C., Removal of Pathogenic Organisms from the Effluent of an Upflow Anaerobic Digester Using Waste Stabilization Ponds, Water Science & Technology, 1995, vol. 31, 12, pp. 275-284. 21. Catunda, P.F.C., van Haandel, A.C., Improved Performance and Increased Applicability of Waste Stabilization Ponds by Pretreatment in a UASB Reactor, Water Science & Technology, 1996, vol. 33, 7, pp. 147-156. 22. Van der Steen, P., Brenner, A., Van Buuren, J., Oron, G., Post- Treatment of UASB Reactor Effluent in an Integrated Duckweed and Stabilization Pond System, Water Research, 1999, vol. 33, 3, pp. 615-62. 23. Ghosh, C., Frijns, J., Lettinga, G., Performance of Silver Carp (Hypopthalmicthys molitrix) Dominated Integrated Post Treatment for Purification of Municipal Wastewater in a Temperate Temperature, Bioresource Technology, 1999, vol. 69, 3, pp.255-262. 24. Xiang-Hua, W., Yi, Q., Xia-Sheng, G., Graphical Presentation of the Transformation of Some Nutrients in a Wastewater Stabilization Pond System, Water Research, 1994, vol. 28, 7, pp. 1659-1665. 25. Lai, P.C.C., Lam, P.K.S., Major Pathways for Nitrogen Removal in Waste Water Stabilization Ponds, Water, Air, and Soil Pollution, 1997, vol. 94, 1-2, pp. 125-136. 26. Muttamara, S., Puetraiboom, U., Nitrogen Removal in Baffled Waste Stabilization Ponds, Water Science & Technology, 1996, vol. 33, 7, pp. 173-181. 27. Azov, Y., Tregubova, T., Nitrification Processes in Stabilization Reservoirs, Water Science & Technology, 1995, vol. 31, 12, pp. 313-319. 28. Silva, S.A., de Oliveira, R., Soares, J., Mara, D.D., Pearson, H.W., Nitrogen Removal in Pond Systems with Different Configurations and Geometries, Water Science & Technology, 1995, vol. 31, 12, pp. 321-33. 29. Soares, J., Silva, S.A., de Oliveira, R., Araujo, A.L.C., Mara, D.D., Pearson, H.W., Ammonia Removal in Pilot-Scale WSP Complex in Northeast Brazil, Water Science & Technology, 1996, vol. 33, 7, pp. 165-171. 3. Τσαγκαράκης, Κ.Π., Mara, D.D., Αγγελάκης, Α.Ν., Αξιολόγηση Μονάδων Επεξεργασίας Αστικών Υγρών Αποβλήτων στην Ελλάδα, Τεχνικά Χρονικά Επιστημονική Έκδοση ΤΕΕ Ι, 1998, vol. 18, 3, pp. 97-19.

Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, Ι, τεύχ. 1 22, Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 1 53 31. Μαναριώτης, Ι.Δ., H Αναερόβια Διεργασία ως Αρχικό Στάδιο στην Επεξεργασία Ασθενών Αποβλήτων, Διδακτορική Διατριβή, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών, 2. 32. APHA, AWWA, WEF, Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 18th edition, edited by A.E. Greenberg, L.S. Clesceri and A.D. Eaton, American Public Health Association, Washington, DC, 1992. 33. APHA, AWWA, WPCF, Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 16th edition, American Public Health Association, Washington, DC, 1985. 34. Manariotis, I.D., Grigoropoulos, S.G., Anaerobic Treatment of Municipal Wastewater, Proc. of the International Conference Restoration and Protection of the Environment II, University of Patras Press, 1994, pp. 21-28. 35. Sawyer, C.N., McCarty, P.L., Chemistry for Environmental Engineering, 3rd edition, McGraw-Hill, Inc., Singapore, 1987. Ιωάννης Δ. Μαναριώτης Λέκτορας Π.Δ. 47/198, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών, 265 Πάτρα. Σωτήριος Γ. Γρηγορόπουλος Ομότιμος Καθηγητής, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών, 265 Πάτρα.

54 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, Ι, τεύχ. 1 22, Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 1 Extended summary Municipal Wastewater Treatment with an Anaerobic Filter - Stabilization Pond System IOANNIS D. MANARIOTIS Adjunct Lecturer, University of Patras SOTIRIOS G. GRIGOROPOULOS Professor Emeritus, University of Patras Abstract This paper evaluates the ability of a low-cost system combining the anaerobic filter and stabilization pond processes to achieve acceptable treatment of municipal wastewater, and presents the findings of an 8.5-month pilot plant study when wastewater collected from a city of Patras central sewer was tested. The upflow anaerobic filter had a 12.5-L volume, used stone packing material and was operated at HRT.5 to 3. d, OLR.13 to.96 kgcod/ m 3.d and two temperature levels, 22.6 to 28.8 o C and 14.8 o C; the facultative stabilization pond had a.36-m 2 surface area and was operated at HRT 4.9 to 9.8 d, OLR 19 to 75 kg BOD 5 /ha.d and ambient temperature. The removal of COD, BOD 5 and TSS obtained in the filter ranged from 5. to 82.%, 5.3 to 83.7% and 7.4 to 91.%, respectively, and the average system reduction of COD was 81.6% (68.5 to 9.5%) and TSS 9.% (52.2 to 98.8%). Appropriate selection of operational parameters depending on anticipated temperature conditions, would enable this system to achieve effluent discharge values that conform to secondary treatment of municipal wastewater. 1. INTRODUCTION The anaerobic process has been traditionally employed for the digestion of sludge [1] and partial stabilization of household wastes with onsite septic tanks or similar units [2,3,4], and has found application in the treatment of highstrength industrial and agricultural wastewater [5,6]. There is also increasing interest in the use of the process for the direct treatment of municipal wastewater, especially in areas with high ambient temperature [7,8,9,1] and the upgrading of organically overloaded systems [11]. The direct anaerobic treatment of low-strength wastewater must apply increased hydraulic loadings, which can cause biomass loss, and systems capable of retaining it need to be employed. These include the anaerobic contact and UASB 1 processes, upflow or downflow filters, fluidized and expanded bed reactors, baffled and sequencing batch reactors, and hybrid reactors [12,13,14,15]. Anaerobic treatment offers lower cost than aerobic but results in decreased removal efficiency. The inability to achieve the secondary discharge limits [16] is a major drawback, and posttreatment is required to improve effluent quality in terms of organic matter and nutrients. The initial and operational costs of a UASB reactor have been reported to be 5% less than those of an activated sludge system, while the combined costs of a reactor followed by a facultative stabilization pond are lower than those of an activated sludge or trickling filter system [13,17]. Stabilization ponds are low-cost natural systems for the treatment of municipal and industrial wastewater, and facultative ponds, with typical depths 1.2 to 2.5 m and HRT 5 to 2 d, are most frequently applied for organic matter and solids removal and pathogen control [18]. Anaerobic ponds have been placed prior to facultative to reduce the land area requirements [19], while stabilization ponds combined with maturation, duckweed or fish ponds have been used to improve the quality of anaerobically treated municipal wastewater for safe reuse in arid and semi-arid regions [2,21,22,23]. The main mechanisms for nitrogen and phosphorus removal in ponds is their assimilation by bacteria and algae [24]; nitrification and denitrification, algal assimilation and ammonia stripping are important mechanisms for nitrogen removal [25,26,27]. Increased levels of nutrient control can be obtained at higher ambient temperatures (over 2 o C) in well designed stabilization ponds which include shallow maturation ponds [28,29]. Municipal wastewater treatment in Greece is based on the aerobic process, and the majority of facilities (87.8%) which have been constructed are activated sludge systems [3]. Although the plants existing or under construction cover most larger population centers, there is considerable need for facilities in small municipalities and other communities. These mostly decentralized facilities should be planned using systems with low operational costs and reduced control requirements. This paper presents the findings of an experimental study which investigated a low-cost municipal wastewater treatment system combining the anaerobic process as the first stabilization step and a natural system for effluent quality improvement. It gives the results of the tandem operation of an anaerobic filter and a facultative stabilization pond which treated municipal wastewater for a period of 8.5 months under varying conditions of HRT, OLR and temperature. This work is part of a comprehensive research effort undertaken to evaluate the suitability of the anaerobic Submitted: May 14.21 Accepted: Jan. 25.22

Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, Ι, τεύχ. 1 22, Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 1 55 process (specifically the anaerobic filter and the anaerobic baffled reactor) as the first stage in the treatment of lowstrength wastewater [31]. 2. MODE OF STUDY 2.1. Experimental system The experimental system (figure 1) consisted of an upflow anaerobic filter housed in an walk-in incubator and a stabilization pond kept in the laboratory yard. The filter, made of plexiglas, had a perforated bottom plate to support the randomly-packed stone material and distribute the influent wastewater. The effluent was taken via a U-shaped water trap and the gas was directed to a bottle containing a saturated sodium chloride solution with 15% v/v sulfuric acid. The pond, made of metal sheeting covered by plastic film, was fed with twin tubes 1 cm from the bottom and the effluent was collected from a 5 cm depth via a siphon arrangement; a transparent plastic roof sheet, placed 7 cm above the surface, provided rainfall shelter. Municipal wastewater was collected daily from a city of Patras central sewer and kept at ambient temperature during feeding; pond influent was at times supplemented with the effluent from similar filters units (with different packing material). Variable speed peristaltic pumps (1 to 1 L/h), activated by a timer switch for the appropriate periods, were used to feed the units. 2.2. Analytical determinations The performance of the anaerobic filter was evaluated by the systematic determination of the influent and effluent COD 1, SCOD, BOD 5, TSS, and ph, and less frequent measurements of NH 4 -N, TKN and Total-P. The performance of the pond was evaluated by the systematic determination of influent and effluent COD, SCOD, BOD 5, TSS, NH 4 -N, TKN and Total-P values, and less frequent measurements of Oxid-N, alkalinity and ph. Average daily samples were used. Also monitored were the biogas volume and composition, the DO and temperature levels at three points throughout the pond depth, and the sunlight intensity above and below the transparent roof cover. All analytical determinations were performed according to Standard Methods [32, 33]. 2.3. Experimental study The anaerobic filter was started in May 1992 using effluent from conventional anaerobic reactors and was in operation for 2 years prior to being connected in series with the stabilization pond. The first year it was fed domestic wastewater supplemented with dogfood and then municipal wastewater; during this latter period the filter was operated at HRT.83 to 3.1 d and OLR.116 to.494 kg COD/m 3.d. The other filter units were subjected to similar conditions [34]. The pond was started in January 1994 by gradually filling it with tap water and wastewater and occasionally adding anaerobic effluent; daily feeding began in May 1994 and systematic operation followed 2.5 months later, as the pond had reached an adequate level of organic matter and solids removal. 3. RESULTS AND DISCUSSION The experimental system was subjected to a wide range of operational conditions over the test period (table 1). The HRT in the anaerobic filter ranged from.5 to 3. d and the OLR from.129 to.961 kg COD/m 3.d; the filter was also subjected to 8 profile samplings and 2 drainings of liquid content. During the same period the HRT in the stabilization pond varied from 4.9 to 9.8 d and the OLR from 19 to 75 kg BOD 5 /ha.d. The daily variation in the influent and effluent organic and solids concentrations for the filter and the stabilization pond are presented in figures 2 and 3, while the average values for key quality characteristics are given in table 2. During the first 4 d, the anaerobic effluent COD was below 125 mg/l but then increased significantly as a result of the stress conditions that were imposed upon the unit, including biomass loss during drainage (figure 2). Effluent SCOD and BOD 5 values were generally below the 125 and 1 mg/l level, while similarly to COD, TSS initially remained below 6 mg/l but later increased. Pond behavior depended on ambient conditions and loading rate and the pond effluent satisfied the COD discharge limit (125 mg/l), although the BOD 5 and TSS values at times exceeded the recommended levels (25 and 35 mg/l, respectively) [16]; a decrease was observed in Total-N and Total-P values. Raw waste, filter and pond effluent ph values ranged from 6.9 to 8.6, 6.8 to 7.5 and 7.5 to 1.6; alkalinity increased on an average by 19% in the filter effluent and decreased by 22% in the pond effluent, reflecting formation of sodium bicarbonate and extraction of carbon dioxide [35] in the two units. Diurnal DO levels, ranging from zero to supersaturation, indicated that the pond was operating as a facultative unit. The average removal efficiency for several characteristics determined for the anaerobic filter and stabilization pond during different operational periods are summarized in table 3 and the daily variation in COD and TSS reduction for each of the two units and the total system is presented in figure 4. The average COD and TSS removal in the system was 81.6% (68.5 to 9.5%) and 9.% (52.2 to 98.8%). Overall performance was satisfactory, although the secondary effluent discharge limits were not always satisfied. Enacted specifications for secondary and advanced (nutrient control, PE 1, to 1,) treatment are summarized in the following tabulation [16].

56 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, Ι, τεύχ. 1 22, Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 1 COD OD 5 TSS Total- Total- Limit, mg/l 125 25 35 15 2 Removal, % 75 7-9 9 7-8 8 Secondary discharge limits could be achieved by an appropriate selection of the operating characteristics; these include HRT and OLR values for the filter and stabilization pond of 1. d and.5 kg COD/m 3.d and 6.5 d and 72 kg BOD 5 /ha.d under winter conditions and correspondingly.5 d and.92 kg COD/m 3.d and 4.9 d and 75 kg BOD 5 /ha.d under summer-autumn conditions (figure 5). In both cases the effluent would meet discharge limits, while it would be possible to treat an increased wastewater load in the summer, as is often required. The anaerobic filter-facultative stabilization pond combination is a low-cost treatment system for municipal wastewater, capable of effecting acceptable organic and solids removal and partial nutrient reduction. Use of the anaerobic unit prior to the stabilization pond will reduce the organic load applied, resulting in decreased area requirement and pond construction costs. 4. CONCLUSIONS The anaerobic filter was operated as a first stage for the treatment of municipal wastewater at HRT.5 to 3. d, OLR.13 to.96 kg COD/m 3.d and two temperature levels, 22.6 to 28.8 o C and 14.8 o C. The COD, BOD 5 and TSS removal ranged from 5. to 82.%, 5.3 to 83.7% and 7.4 to 91.%, respectively. The stabilization pond was used as an additional step to improve the anaerobic effluent quality and was operated at HRT 4.9 to 9.8 d, OLR 19 to 75 kg BOD 5 /ha.d and ambient temperature. The anaerobic effluent quality was significantly improved in terms of organic matter and solids, satisfying for most of the test period the municipal wastewater discharge limits for secondary treatment. Nitrogen and phosphorus removal showed a wide fluctuation and was limited, especially in the anaerobic step. Additional removal was obtained in the stabilization pond where nitrification was evident at different periods. The anaerobic filter-stabilization pond system was capable of effectively treating municipal wastewater and constitutes an acceptable low-cost biological waste treatment system. 1 Abbreviations are defined under Συμβολισμοί/ Abbreviations of the Greek text. Ioannis D. Manariotis Adjunct Lecturer, Department of Civil Engineering, University of Patras, GR-265 Patras. Sotirios G. Grigoropoulos Professor Emeritus, Department of Civil Engineering, University of Patras, GR-265 Patras.