Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης

Άσκηση 1η Να γίνει μελέτη σχεδιασμού και εφαρμογής ενός συστήματος επαναχρησιμοποίησης λυμάτων 1000 ισοδυνάμων κατοίκων για άρδευση με περιορισμούς (το ίδιο ισχύει και για υπεδάφια διάθεση) Βήμα 1. Υπολογισμός παροχών σχεδιασμού Ισοδύναμοι κάτοικοι 1000 Παροχή ανά κάτοικο 150 L/κατ d Μέση ημερήσια παροχή 150 m 3 /d Μέγιστη ημερήσια παροχή 150*1.5 = 220 m 3 /d Ελάχιστη ημερήσια παροχή 150*0.25 = 40 m 3 /d Παροχή ωριαία αιχμής 220/24 * 1.7 = 16 m 3 /h Βήμα 2. Συγκεντρώσεις ρυπαντικών συστατικών COD 500 mg/l BOD 250 mg/l TSS 250 mg/l Καθιζάνοντα στερεά 250*0.75 = 185 mg/l Κολλοειδή στερεά 250*0.25 = 65 mg/l Βήμα 3. Υπολογισμός δεξαμενής εξάμμωσης Σχήμα 1. Σχηματική αναπαράσταση ενός προκατασκευασμένου συστήματος αμμοσυλλέκτη. Πίνακας 1. Παράμετροι σχεδιασμού αεριζόμενων αμμοσυλλεκτών (Metcalf and Eddy, 2003) Παράμετρος Διακύμανση Τυπική τιμή Υδραυλικός χρόνος παραμονής (min) 2-5 3 Οριζόντια ταχύτητα ροής (m/s) 0.25-0.4 0.3 Τυπικές Διαστάσεις: Βάθος (m) 2-5 - Μήκος (m) 7.5-20 - Πλάτος (m) 2.5-7 - Λόγος Πλάτος:Βάθος 1:1-5:1 1.5:1 Λόγος Μήκος:Πλάτος 3:1-5:1 4:1 Παροχή αέρα ανά μονάδα μήκους (m 3 /m min) 0.2-0.5 - Συλλεγόμενη ποσότητα άμμου (L/ 1000 m 3 ) 4-200 15 1

Παροχή σχεδιασμού (ωριαία αιχμής) 16 m 3 /h = 0.27 m 3 /min Υδραυλικός χρόνος παραμονής 3 min Όγκος δεξαμενής εξάμμωσης (0.27 m 3 /min)*(3 min) = 0.81 m 3 Μήκος δεξαμενής 2.0 m Πλάτος δεξαμενής 0.8 m Βάθος δεξαμενής 0.6 m Πλάτος:Βάθος 0.8:0.6 = 1.3:1 Μήκος:Πλάτος 2.0:0.8 = 2.5:1 Όγκος δεξαμενής εξάμμωσης 0.95 m 3 Επιφάνεια 1.6 m 2 Βάθος 0.6 m Απομάκρυνση άμμου 3.5 L/d Παροχή αέρα (0.35 m 3 /m.min)*(2 m) = 0.70 m 3 /min = 42 m 3 /h Βήμα 4. Υπολογισμός δεξαμενής πρωτοβάθμιας καθίζησης Σχήμα 2. Φωτογραφική απεικόνιση δεξαμενών πρωτοβάθμιας καθίζησης. Πίνακας 2. Παράμετροι σχεδιασμού πρωτοβάθμιας καθίζησης (Metcalf and Eddy, 2003) Παράμετρος Διακύμανση Τυπική τιμή Υδραυλικός χρόνος παραμονής (h) 1,5-2,5 2,0 Ρυθμός επιφανειακής φόρτισης (m 3 /m 2 d) 30-50 40 Ρυθμός υπερχείλισης (m 3 /m d) 125-500 250 Παροχή σχεδιασμού (ωριαία αιχμής) 16 m 3 /h Υδραυλικός χρόνος παραμονής 2 h Όγκος δεξαμενής καθίζησης (16 m 3 /h)*(2 h) = 35 m 3 Ρυθμός επιφανειακής φόρτισης 40 m 3 /(m 2 d) = 1.6 m 3 /(m 2 h) Επιφάνεια δεξαμενής καθίζησης (16 m 3 /h)/1.6 = 10 m 2 Ρυθμός υπερχείλισης 10 m 3 /(m h) Μήκος υπερχειλιστή (16 m 3 /h)/ [10 m 3 /(m h)] = 1.6 m 2

Όγκος 35 m 3 Επιφάνεια 10 m 2 Βάθος Διάμετρος Υπερχειλιστής 2.8 m 3.7 m (κυκλική δεξαμενή) 1.6 m Απομάκρυνση COD/ BOD 20-30% Απομάκρυνση SS 60% COD εκροής 500*0.75 = 380 mg/l BOD εκροής 250*0.75 = 190 mg/l TSS εκροής 250* 0.40 = 100 mg/l Βήμα 5. Παραγόμενη ποσότητα πρωτοβάθμιας ιλύος Φορτίο καθιζαν. στερεών (150 m 3 /d)*(0.185 kg/m 3 )= 28 kg/d Απομάκρυν. καθ. στερεών (28 kg/d)*0.80 = 22.4 kg/d Πυκνότητα στερεών (1%) 10 kg/m 3 Όγκος περίσσειας ιλύος 22.4/10 = 2.2 m 3 /d Μεταπάχυνση (2-3%) 0.7-1.2 m 3 /d Βήμα 6. Προκαταρτικός σχεδιασμός δεξαμενής αερισμού Σχεδιασμός εμβολικής ροής ή αντιδραστήρες σε σειρά Σχήμα 3. Τυπικές δεξαμενές αερισμού με υποβρύχιο και επιφανειακό αερισμό. Πίνακας 3. Παράμετροι σχεδιασμού ενεργού ιλύος (Metcalf and Eddy, 2003). Σύστημα ενεργού ιλύος SRT (d) LRX (kgbod/kgvss d) OLR (KgBOD/m 3 d) MLSS (g/l) HRT (h) Συμβατικό 3-15 0.2-0.4 0.3-0.7 1-3 4-8 25-75 Ταχύρυθμο (high-rate aeration) 5-10 1.5-2.0 1.2-2.4 0.2-1.0 1.5-3 100-150 Επαφής 0.5-2 0.3-4.0 1-13 1-3 0.5-1 50-150 Παρατεταμένου αερισμού 20-40 0.04-0.1 0.1-0.3 2-5 20-30 50-150 Καθαρό οξυγόνο 1-4 0.5-1.0 1.3-3.2 2-5 1-3 25-50 SRT- Solids Retention Time; LRX Loading Rate Biomass; OLR Organic Loading Rate; MLSS Mixed Liquor Suspended Solids; HRT Hydraulic Retention Time; Q R = Flow-rate recycle. 3 QR (%)

Πίνακας 4. Κριτήρια επιλογής συστημάτων ενεργού ιλύος για την επεξεργασία αστικών λυμάτων. Παράμετροι σχεδιασμού - λειτουργίας Επαφής Συμβατικό Παρατεταμένος Χρόνος παραμονής υγρού αποβλήτου 0.5-1 h 4-8 h 20-30 h Χρόνος παραμονής βιομάζας (ιλύος/στερεών) 0.5-2 d 3-15 d 20-40 d Ρυθμός οργανικής φόρτισης (BOD) 1-13 kg/m 3 d 0.3-0.7 kg/m 3 d 0.1-0.3 kg/m 3 d Στόχοι του συστήματος επεξεργασίας Μετατροπή COD και BOD Μερικώς ΝΑΙ ΝΑΙ 40-60% >75% >85% Μετατροπή σωματιδιακού υλικού ΜΕΡΙΚΩΣ ΝΑΙ ΝΑΙ Νιτροποίηση ΟΧΙ ΜΕΡΙΚΩΣ ΝΑΙ Απονιτροποίηση ΟΧΙ ΜΕΡΙΚΩΣ ΝΑΙ Βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου ΟΧΙ ΝΑΙ ΝΑΙ Αφαίρεση θρεπτικών ΟΧΙ ΜΕΡΙΚΩΣ ΝΑΙ Διάθεση εκροής σε ευαίσθητο αποδέκτη ΟΧΙ ΟΧΙ ΝΑΙ Σταθεροποίηση λάσπης ΟΧΙ ΜΕΡΙΚΩΣ ΝΑΙ Απαιτήσεις συστήματος επεξεργασίας Δεξαμενή πρωτοβάθμιας καθίζησης ΟΧΙ Απαιτείται ΟΧΙ Απαιτείται μετ-επεξεργασία για επίτευξη ορίων ΝΑΙ ΟΧΙ ΟΧΙ Αναερόβια χώνευση περίσσειας ιλύος ΝΑΙ ΝΑΙ ΜΕΡΙΚΩΣ Παράδειγμα συστήματος παρατεταμένου αερισμού Παροχή σχεδιασμού 150 m 3 /d Υδραυλικός χρόνος παραμονής 24 h = 1 d Συγκέντρωση MLSS 3.5 kg/m 3 Όγκος δεξαμενής αερισμού (150 m 3 /d) * 1 d = 150 m 3 COD λυμάτων 0.5 kg/m 3 BOD λυμάτων 0.25 kg/m 3 Ημερήσιο φορτίο BOD 150 m 3 /d * 0.25 kg/m 3 = 38 kg/d Ογκομετρικός ρυθμός φόρτισης (38 kg/d) / (150 m 3 ) = 0.25 kg/(m 3 d) Ειδικός ρυθμός φόρτισης 0.25 kg/(m 3 d) / (3.5 kg/m 3 ) = 0.07 kg/(kg d) 4

Παράδειγμα συμβατικού συστήματος ενεργού ιλύος Συμπεριλαμβάνεται δεξαμενή πρωτοβάθμιας καθίζησης Παροχή σχεδιασμού 150 m 3 /d Υδραυλικός χρόνος παραμονής 6 h = 0.25 d Συγκέντρωση MLSS 2 kg/m 3 Όγκος δεξαμενής αερισμού (150 m 3 /d) * 0.25 d = 40 m 3 COD λυμάτων 0.38 kg/m 3 BOD λυμάτων 0.19 kg/m 3 Ημερήσιο φορτίο BOD (150 m 3 /d) * (0.19 kg/m 3 ) = 29 kg/d Ογκομετρικός ρυθμός φόρτισης (29 kg/d) / (40 m 3 ) = 0.72 kg/(m 3 d) Ειδικός ρυθμός φόρτισης 0.72 kg/(m 3 d) / (2 kg/m 3 ) = 0.36 kg/(kg d) Παράδειγμα συστήματος αερισμού επαφής Παροχή σχεδιασμού 150 m 3 /d Υδραυλικός χρόνος παραμονής 1 h = 1/24 d Συγκέντρωση MLSS 2 kg/m 3 Όγκος δεξαμενής αερισμού (150 m 3 /d) * 1/24 d = 7 m 3 COD λυμάτων 0.5 kg/m 3 BOD λυμάτων 0.25 kg/m 3 Ημερήσιο φορτίο BOD 150 m 3 /d * 0.25 kg/m 3 = 38 kg/d Ογκομετρικός ρυθμός φόρτισης (38 kg/d) / (7 m 3 ) = 5.4 kg/(m 3 d) Ειδικός ρυθμός φόρτισης 5 kg/(m 3 d) / (2 kg/m 3 ) = 2.7 kg/(kg d) 5

Βήμα 7. Κατανάλωση οξυγόνου OD Τ = a*(bod o - BOD e )*Q + b T *X vss *V + c*(nh 4 in NH 4 e )*Q a= συντελεστής κατανάλωσης οξυγόνου για μετατροπή BOD (0.9-1.3 kgo 2 /kgbodr ως συνάρτηση του SRT) bt= συντελεστής κατανάλωσης οξυγόνου για ενδογενή αναπνοή (kgo 2 /kgvss d) b T = b 20 θ (T-20), όπου θ= 1.03-1.06 και b 20 = συντελεστής κατανάλωσης οξυγόνου για ενδογενή αναπνοή (0.085 kgo 2 /kgvss d στους 20 o C) c = συντελεστής κατανάλωσης οξυγόνου για μετατροπή NH 4 -N (4.1-4.4 kgo 2 /kgnh 4 -N) Q= παροχή σχεδιασμού (m 3 /d) BODo = συγκέντρωση BOD στην είσοδο της δεξαμενής αερισμού (kg/m3) BODe = συγκέντρωση BOD στην έξοδο της δεξαμενής αερισμού (kg/m3) ΝΗ 4 in = συγκέντρωση αμμωνιακού αζώτου στην είσοδο της δεξ. αερισμού (kg/m3) ΝΗ 4 e = συγκέντρωση αμμωνιακού αζώτου στην έξοδο της δεξ. αερισμού (kg/m3) kgo 2 /kwh kgo 2 /kwh (μέση ευνοϊκή) Υγρά απόβλητα Καθαρό νερό Κεραμικοί διαχυτήρες 1.0-1.3 1.7-2.2 Ελαστικοί δίσκοι 1.4-1.9 2.4-3.2 Επιφανειακές σβούρες 1.1-1.5 1.3-1.7 Απόδοση φυσητήρα 75% Λόγω επίδρασης του biofouling στην απόδοση συστημάτων υποβρύχιων διαχυτήρων επιλέγεται συντηρητικά μια μέση απόδοση μεταφοράς οξυγόνου. Παράδειγμα. Να γίνει υπολογισμός (α) των συνολικών απαιτήσεων σε οξυγόνο, (β) της ισχύος του φυσητήρα και (γ) των απαιτούμενου αριθμού των διαχυτήρων, για την επεξεργασία αστικών λυμάτων 1000 IK με ένα συμβατικό σύστημα ενεργού ιλύος. Να ληφθούν υπόψη τα εξής δεδομένα: υδραυλικός χρόνος παραμονής = 6 h, συγκέντρωση MLVSS στη δεξαμενή αερισμού = 2.5 g/l, συγκέντρωση BOD στην εκροή 25 mg/l, συγκέντρωση NH 4 -N στην εκροή 5 mg/l, απόδοση μεταφοράς οξυγόνου για διαχυτήρες ελαστικών δίσκων 1.4-1.9 kgo 2 /kwh, απόδοση του φυσητήρα 75%, συντελεστής κατανάλωσης οξυγόνου για μετατροπή BOD = 1.1 kgo 2 /kgbod, συντελεστής κατανάλωσης οξυγόνου για μετατροπή NH 4 -N = 4.2 kgo 2 /kgnh 4 -N, συντελεστής κατανάλωσης οξυγόνου για ενδογενή αναπνοή = 0.085 kgo 2 /kgvss d. 6

Υπολογισμός συνολικής απαίτησης οξυγόνου για τη μέγιστη παροχή σχεδιασμού Απαίτηση σε οξυγόνο για την οξείδωση του BOD 1.1 * (0.25 0.025) * 225 = 55.7 kg/d Απαίτηση σε οξυγόνο για την οξείδωση του NH 4 -N 4.2*(0.05 0.005) * 225 = 42.5 kg/d Απαίτηση σε οξυγόνο για ενδογενή αναπνοή 0.085 * 2.5 * (225 * 0.25) = 12 kg/d Συνολική απαίτηση σε οξυγόνο Απαιτούμενη ηλεκτρική ενέργεια Απαιτούμενη ισχύς φυσητήρα = 55.7 + 42.5 + 12 = 110 kg/d = (110 kg/d) / (1.5 kgo2/kwh) = 73 kwh/d = 73 / (24 * 0.75) = 4.0 kw Υπολογισμός συνολικής απαίτησης οξυγόνου για τη μέση παροχή σχεδιασμού Συνολική απαίτηση σε οξυγόνο = 77 kgo 2 /d Απαιτούμενη ισχύς φυσητήρα = 3.0 kw Σύμφωνα με το Σχήμα 4, επιλέγουμε τον φυσητηρα Κ06-TD ο οποίος έχει τα εξής χαρακτηριστικά: Ισχύς φυσητήρα 4.0 kw Μανομετρικό φυσητήρα 300 mbar Παροχή αέρα φυσητήρα 250 m 3 /h Λαμβάνοντας τέλος υπόψη τις προδιαγραφές του διαχυτήρα επιλέγουμε Αριθμός διαχυτήρων 50 7

Σχήμα 4. Παράδειγμα καμπύλες παροχής-μανομετρικού για φυσητήρες αέρα. 8

Σχήμα 5. Παράδειγμα προδιαγραφών διαχυτήρων ελαστικής μεμβράνης (1 kpa = 10 mbar) 9

Βήμα 8. Παραγωγή περίσσειας ιλύος ΔX vss = Y max (S o -S e )Q k d X vss V Y max = συντελεστής παραγωγής βιομάζας (kgvss/ kgbod r ) (Σχήμα 6) K d = σταθερά απόπτωσης βιομάζας (0.06 kgvss/kgvss d στους 20 o C) K d,t = k d,20 θ (Τ-20), όπου θ=1.03-1.06 Σχήμα 6. Επίδραση του χρόνου παραμονής στερεών (SRT) στον συντελεστή παραγωγής περίσσειας ιλύος (Ymax). Ο χρόνος παραμονής στερεών (SRT) σε ένα σύστημα ενεργού ιλύος υπολογίζεται από τη σχέση: SRT = X * V / (ΔΧ + Q*Xe) Όπου X = η συγκέντρωση των MLSS στη δεξαμενή αερισμού (kg/m 3 ) V = ο όγκος της δεξαμενής αερισμού (m 3 ) Q = η παροχή σχεδιασμού (m 3 /d) Χe = η συγκέντρωση των στερεών στην επεξεργασμένη εκροή (kg/m 3 ) ΔΧ = η ημερήσια ποσότητα παραγόμενης περίσσειας ιλύος (kg/d) Το εύρος του ελάχιστου απαιτούμενου χρόνου παραμονής στερεών για την επίτευξη διαφορετικών στόχων επεξεργασίας σε ένα σύστημα ενεργού ιλύος δίνεται στον Πίνακα 5. Μετά από επιλογή του επιθυμητού SRT ο μηχανικός επιλέγει την κατάλληλη παραλλαγή του συστήματος ενεργού ιλύος (βλέπε Πίνακα 3). 10

Πίνακας 5. Εύρος του ελάχιστου απαιτούμενου χρόνου παραμονής στερεών για διάφορες εφαρμογές ενεργού ιλύος. Στόχος επεξεργασίας Εύρος SRT (d) Παράγοντες που επιδρούν Απομάκρυνση BOD σε αστικά λύματα 1-2 Θερμοκρασία Μετατροπή σωματιδιακού υλικού σε αστικά λύματα 2-4 Θερμοκρασία Ανάπτυξη φλόκων βιομάζας σε αστικά λύματα 1-3 Θερμοκρασία Ανάπτυξη φλόκων βιομάζας σε βιομηχανικά απόβλητα 3-5 Θερμοκρασία/ συστατικά Πλήρης νιτροποίηση 3-18 Θερμοκρασία/ συστατικά Βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου 2-4 Θερμοκρασία Σταθεροποίηση ενεργού ιλύος 20-40 Θερμοκρασία Αποικοδόμηση ξενοβιοτικών συστατικών 5-50 Θερμοκρασία/ ειδικά βακτήρια/ συστατικά Παράδειγμα 1 (συμβατικό σύστημα ενεργού ιλύος) Να υπολογιστεί (α) η παραγωγή περίσσειας ιλύος και (β) ο χρόνος παραμονής στερεών σε ένα συμβατικό σύστημα ενεργού ιλύος με πρωτοβάθμια καθίζηση, παροχή λειτουργίας 150 m 3 /d (1000 IK), όγκο δεξαμενής αερισμού 56 m 3, συγκέντρωση MLSS στη δεξαμενή αερισμού = 3 kg/m 3 και θερμοκρασίας λειτουργίας 20 o C. Να ληφθούν υπόψη: συντελεστής παραγωγής βιομάζας Ymax = 0.6 kgmlvss/kgbod, σταθερά απόπτωσης βιομάζας kd = 0.06 kgmlvss/kgmlvss d, περιεκτικότητα των MLSS σε πτητικά = 80%, συγκέντρωση ολικών αιωρούμενων στερεών στην εκροή του συστήματος ενεργού ιλύος 35 mg/l, συγκέντρωση BOD στην εκροή 25 mg/l. Λύση Σε ένα συμβατικό σύστημα ενεργού ιλύος ο χρόνος παραμονής στερεών κυμαίνεται μεταξύ 3-15 d (βλέπε Πίνακα 3). Στην περίπτωση μάλιστα που υπάρχει εγκατεστημένη δεξαμενή πρωτοβάθμιας καθίζησης (30% μείωση του BOD) ο συντελεστής παραγωγής περίσσειας ιλύος διαμορφώνεται ίσος με 0.6 kg MLVSS/ kg BOD (βλέπε Σχήμα 6). Η παραγόμενη ποσότητα περίσσειας βιομάζας λόγω μετατροπής του BOD είναι: (150 m 3 /d)*(0.17 0.025 kgbod/m 3 )*(0.6 kgvss/ kgbod) = 13 kgmlvss/d = 16.3 kgmlss/d O ρυθμός απόπτωσης της βιομάζας είναι: (0.06 kgmlvss/ kgmlvss d)*(56 m 3 )*(3 kgmlss/m 3 )*0.8 = 8 kgmlvss/d = 10 kg MLSS/d Συνεπώς, η παραγωγή περίσσειας ιλύος προκύπτει ίση με: ΔΧ = 16.3 10 = 6.3 kgmlss/d Ο χρόνος παραμονής στερεών για την υπό εξέταση εγκατάσταση υπολογίζεται ίσος με: SRT = (56 m 3 )*(3 kgmlss/m 3 ) / [6.3 kgmlss/d + (150 m 3 /d)*(0.035 kg/m 3 )] = 14.5 d 11

Παράδειγμα 2 (παρατεταμένος αερισμός) Να υπολογιστεί (α) η παραγωγή περίσσειας ιλύος και (β) ο χρόνος παραμονής στερεών σε ένα σύστημα παρατεταμένου αερισμού με παροχή λειτουργίας 150 m 3 /d (1000 IK), όγκο δεξαμενής αερισμού 150 m 3, συγκέντρωση MLSS στη δεξαμενή αερισμού = 3 kg/m 3 και θερμοκρασίας λειτουργίας 20 o C. Να ληφθούν υπόψη: συντελεστής παραγωγής βιομάζας Ymax = 0.8 kgmlvss/kgbod, σταθερά απόπτωσης βιομάζας kd = 0.06 kgmlvss/kgmlvss d, περιεκτικότητα των MLSS σε πτητικά = 80%, συγκέντρωση ολικών αιωρούμενων στερεών στην εκροή ίση με 20 mg/l. Λύση Σε ένα σύστημα παρατεταμένου αερισμού ο χρόνος παραμονής στερεών κυμαίνεται μεταξύ 20-40 d (βλέπε Πίνακα 3). Στην περίπτωση αυτή δεν υπάρχει δεξαμενή πρωτοβάθμιας καθίζησης και ο συντελεστής παραγωγής περίσσειας ιλύος διαμορφώνεται ίσος με 0.8 kg MLVSS/ kg BOD (βλέπε Σχήμα 6). Η παραγόμενη ποσότητα περίσσειας βιομάζας λόγω μετατροπής του BOD είναι: (150 m 3 /d)*(0.25 0.025 kgbod/m 3 )*(0.8 kgvss/ kgbod) = 27 kgmlvss/d = 33.8 kgmlss/d O ρυθμός απόπτωσης της βιομάζας είναι: (0.06 kgmlvss/ kgmlvss d)*(150 m 3 )*(3 kgmlss/m 3 )*0.8 = 21.6 kgmlvss/d = 27 kg MLSS/d Συνεπώς, η παραγωγή περίσσειας ιλύος προκύπτει ίση με: ΔΧ = 33.8 27 = 6.8 kgmlss/d Ο χρόνος παραμονής στερεών για την υπό εξέταση εγκατάσταση υπολογίζεται ίσος με: SRT = (150 m 3 )*(3 kgmlss/m 3 ) / [6.8 kgmlss/d + (150 m 3 /d)*(0.02 kg/m 3 )] = 46 d 12

Βήμα 9. Σχεδιασμός δεξαμενής δευτεροβάθμιας καθίζησης Σχήμα 7. Φωτογραφική απεικόνιση δεξαμενών δευτεροβάθμιας καθίζησης Πίνακας 6. Παράμετροι σχεδιασμού δευτεροβάθμιας καθίζησης (Metcalf and Eddy, 2003). Παράμετρος Ρυθμός επιφανειακής φόρτισης (m 3 /m 2 d) Ρυθμός φόρτισης στερεών (kg/m 2 h) Διακύμανση Μέγιστη τιμή Διακύμανση Μέγιστη τιμή Συμβατικό σύστημα ενεργού ιλύος 16-28 40-64 4-6 8 Καθαρό οξυγόνο 16-28 40-64 5-7 9 Παρατεταμένος αερισμός 8-16 24-32 1-5 7 Ρυθμός επιφανειακής φόρτισης = (Q+QR) / A Ρυθμός φόρτισης στερεών = (Q+QR)*X / A Παράδειγμα σχεδιασμού δευτεροβάθμιας καθίζησης (συμβατικό σύστημα) Να γίνει διαστασιολόγηση (επιφάνεια, διάμετρος, βάθος, όγκος) μιας δεξαμενής δευτεροβάθμιας καθίζησης για ένα συμβατικό σύστημα ενεργού ιλύος 1000 ΙΚ με συγκέντρωση MLSS στη δεξαμενή αερισμού 3 kg/m 3. Μέση παροχή σχεδιασμού = 150 m 3 /d (= 6.3 m 3 /h) Μέγιστη παροχή σχεδιασμού = 225 m 3 /d (= 9.4 m 3 /h) Παροχή αιχμής = 16 m 3 /h Παροχή ανακυκλοφορίας = 25-75% της μέσης παροχής σχεδιασμού έστω = 4 m 3 /h Η συνολική παροχή προς τη δεξαμενή δευτεροβάθμιας καθίζησης είναι ίση με: Q = Q w + Q R = 6.3 + 4 = 10.4 m 3 /h Ρυθμός επιφανειακής φόρτισης σχεδιασμού 1 m 3 /(m 2 h) (για συνθήκες μέσης παροχής) Επιφάνεια δεξαμενής καθίζησης (10.4 m 3 /h)/ (1 m 3 / m 2 h) = 10.4 m 2 Έλεγχος του ρυθμού επιφανειακής φόρτισης για συνθήκες παροχής αιχμής Ρυθμός επιφανειακής φόρτισης = (16+4 m 3 /h)/10.4 = 1.92 m 3 /m 2 h = 46 m 3 /m 2 d (επαρκεί) 13

Ρυθμός φόρτισης στερεών σχεδιασμού 5 kg/(m 2 h) (για συνθήκες μέσης παροχής) Συγκέντρωση MLSS στη δεξαμενή αερισμού 3 kg/m 3 Φόρτιση στερεών δεξαμενής καθίζησης 10.4 m 3 /h * 3 kg/m 3 = 31.2 kg/h Επιφάνεια δεξαμενής καθίζησης (31.2 kg/h)/ [5 kg/(m 2 h)] = 6.24 m 2 Επιφάνεια (επιλέγω το μεγαλύτερο) 10.4 m 2 Διάμετρος δεξαμενής 3.65 m Βάθος δεξαμενής 2.0 m Όγκος δεξαμενής 20.8 m 3 Υδραυλικός χρόνος παραμονής 2 h Βήμα 10. Σχεδιασμός απολύμανσης με χλώριο Σχήμα 8. Φωτογραφική απεικόνηση δεξαμενών χλωρίωσης. Πίνακας 7. Παράμετροι σχεδιασμού συστημάτων απολύμανσης με χλώριο σύμφωνα με την ΚΥΑ 354Β/8-3-2011. Παράμετρος σχεδιασμού Άρδευση με περιορισμούς Άρδευση χωρίς περιορισμούς Συγκέντρωση υπολ. χλωρίου Δεν προβλέπεται >2 mg/l Χρόνος επαφής 30 min 60 min Λόγος μήκους/ πλάτος >40 >40 Γινόμενο C.t >30 mg.min/l >180 mg.min/l 14

Πίνακας 8. Εκτιμώμενο εύρος γινομένου C.t για διαφορετικά ποσοστά αδρανοποίησης βακτηρίων, ιών και πρωτόζωων σε διηθημένη δευτεροβάθμια εκροή (ph~7, T~20 o C) (Metcalf and Eddy, 2003). Αδρανοποίηση Απολυμαντικό Μονάδες 1 Log 2 Log 3 Log 4 Log Βακτήρια Χλώριο mg.min/l 0.1-0.2 0.4-0.8 1.5-3 10-12 Όζον mg.min/l 3-4 UV mj/cm 2 30-60 60-80 80-100 Ιοί Χλώριο mg.min/l 2.5-3.5 4-5 6-7 Όζον mg.min/l 0.3-0.5 0.5-0.9 0.6-1.0 UV mj/cm 2 20-30 50-60 70-90 Πρωτόζωα Χλώριο mg.min/l 20-30 35-45 70-80 Όζον mg.min/l 0.2-0.4 0.5-0.9 0.7-1.4 UV mj/cm 2 5-10 10-15 15-25 D = UV dose (mj/cm 2 ) = I.t, όπου Ι = ένταση λαμπτήρα (mw/cm 2 ) και t= χρόνος επαφής (s) Παράδειγμα Να υπολογίσετε (α) τις διαστάσεις της δεξαμενής επαφής (όγκος, μήκος, πλάτος, βάθος), (β) τη δυναμικότητα της δοσομετρικής αντλίας, (γ) τον απαιτούμενο όγκο της δεξαμενής αποθήκευσης και τη συγκέντρωση του υποχλωριώδους νατρίου, για την απολύμανση δευτεροβάθμιας εκροής 1000 ΙΚ. Να ληφθούν υπόψη τα εξής: χρόνος επαφής > 30 min, γινόμενο C*t > 30 mg*min/l και λόγος μήκους/ πλάτος = 40, συγκέντρωση διαλύματος NaOCl = 13% (w/w), πυκνότητα διαλύματος NaOCl = 1.2 kg/l. Λύση Ο σχεδιασμός της δεξαμενής χλωρίωσης γίνεται για τη μέγιστη ημερήσια παροχή, δηλαδή: (1000 ΙΚ)*(0.15 m3/ik d)*1.5 = 225 m 3 /d ~ 10 m 3 /h Λαμβάνοντας υπόψη τον χρόνο επαφής σχεδιασμού (έστω 60 min), ο όγκος της δεξαμενής χλωρίωσης προκύπτει ίσος με: V = Q * t = (10 m 3 /h)*(1 h) = 10 m 3 Δηλαδή, V = H*L*W = 10 m 3 Επιλέγω βάθος νερού Η = 1 m και υπολογίζω το πλάτος (W) της δεξαμενής λαμβάνοντας υπόψη τον περιορισμό του μήκους L = 40*W (από τα δεδομένα), ως εξής: 15

W = SQRT(10/40) = 0.5 m. Ακολούθως, το μήκος της δεξαμενής προκύπτει: L = 40*(0.5 m) = 20 m. Η δεξαμενή χλωρίωσης θα κατασκευαστεί τετράγωνη (3.3x3.3 m) και θα αποτελείται από έξι (6) μαιανδρικά κανάλια μήκους 3.3 m και πλάτους 0.5 m έκαστο. Η δόση του υποχλωριώδους νατρίου μπορεί να υπολογιστεί από το γινόμενο C*t (επιλέγω 60 mg*min/ L) και το χρόνο επαφής (60 min) ως εξής: Δόση NaOCl = C*t / t = (60 mg*min/ L) / (60 min) = 1 mg/l = 1 g/m 3 Λαμβάνοντας υπόψη την παροχή σχεδιασμού: 10 m 3 /h η ωριαία ποσότητα NaOCl που απαιτείται για την απολύμανση των υγρών αποβλήτων προκύπτει ίση με: (10 m 3 /h)*(1 g/m 3 ) = 10 g/h Επειδή η συγκέντρωση του πυκνού διαλύματος NaOCl είναι 13% w/w, αυτή αντιστοιχεί σε: (130 g/kg Δ/τος)*(1.2 kg Δ/τος / L Δ/τος) = 156 g NaOCl / L Δ/τος Συνεπώς, θα πρέπει να γίνει δοσομέτρηση: (10 g/h)/(156 g/l)= 0.064 L/h πυκνού διαλύματος. Επιλέγω δοσομετρική αντλία δυναμικότητας 1 L/h με αποτέλεσμα να πραγματοποιηθεί αραίωση του πυκνού Δ/τος σε αναλογία 0.064 L πυκνού (ή 64 ml) για κάθε λίτρο αραιωμένου διαλύματος (δηλαδή ~15 φορές αραίωση). Με τον τρόπο αυτό η συγκέντρωση του υποχλωριώδους νατρίου στο αραιωμένο διάλυμα θα είναι ίση με 10 g/l. Η δεξαμενή αποθήκευσης σχεδιάζεται για χωρητικότητα διαλύματος 5 ημερών και ακολούθως ο απαιτούμενος όγκος της προκύπτει ίσος με: 1 L/h * (24 h/d) * 5 d = 120 L 16

Βήμα 11. Βασικός σχεδιασμός αναερόβιου χωνευτή ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΒΙΟΑΕΡΙΟΥ Βιομάζα ΠΡΟ- ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ ΜΕΤ- ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ Αξιοποίηση ή διάθεση Σχήμα 9. Απλοποιημένο διάγραμμα ροής ενός τυπικού συστήματος αναερόβιας χώνευσης οργανικών αποβλήτων. Πίνακας 9. Τυπικά συστήματα προ-επεξεργασίας και μετ-επεξεργασίας οργανικών αποβλήτων προοριζόμενα για μονάδες αναερόβιας χώνευσης. Προ-επεξεργασία Διαχωρισμός στερεών Εξισορρόπηση Διαλυτοποίηση στερεών Μετατροπή οργανικών Παστερίωση Παραδείγματα διεργασιών Κοσκίνηση, εξάμμωση, καθίζηση, επίπλευση Δεξαμενή πλήρους ανάδευσης Άλεση, θερμική επεξεργασία, γαλακτοποίηση λιπών Οξεοποίηση υδατανθράκων, οξείδωση βιοανθεκτικών ενώσεων Θερμική επεξεργασία Μετ-επεξεργασία Διαχωρισμός στερεών Αερόβια επεξεργασία Φυσικά συστήματα φυγοκέντριση, αφυδάτωση, πάχυνση συστήματα ενεργού ιλύος, κομποστοποίηση εδαφοδεξαμενές σταθεροποίησης, τεχνητοί υγροβιότοποι 17

Τύποι αναερόβιων αντιδραστήρων Σχήμα 10. Αναπαράσταση των δημοφιλέστερων τύπων αναερόβιων αντιδραστήρων για την επεξεργασία οργανικών αποβλήτων. Πίνακας 10. Βασικοί τύποι αναερόβιων αντιδραστήρων και τυπικές παράμετροι σχεδιασμού και λειτουργίας. LAGOON CSTR CONTACT UASB OLR (kgcod/m 3 d) < 1 < 5 5-10 10-20 HRT (d) >80 >20 5 0.5 COD influent (kg/m 3 ) >50 >50 20-50 2-10 COD tss (%COD) >50 >50 <50 <30 MLSS (kg/m 3 ) --- --- 5-10 20-50 Ανάδευση Όχι Ναι Ναι Όχι Κατακράτηση βιομάζας Όχι Όχι Εξωτερική Εσωτερική OLR = ρυθμός οργανικής φόρτισης, HRT = υδραυλικός χρόνος παραμονής, COD in = συγκεντρώσεις COD εισερχόμενων αποβλήτων, COD tss = ποσοστό του COD που αποτελείται από στερεά συστατικά, MLSS = συγκέντρωση ενεργού βιομάζας μέσα στον αντιδραστήρα. 18

Παράδειγμα Να υπολογίσετε τον απαιτούμενο όγκο ενός αναερόβιου χωνευτή για την επεξεργασία τυροκομικών υγρών αποβλήτων με τα εξής χαρακτηριστικά: Παροχή τυρογάλακτος = 100 m 3 /d COD τυρογάλακτος = 60 kg/m 3 Παροχή νερών πλύσης = 1000 m 3 /d COD νερών πλύσης = 2 kg/m 3 Να ληφθεί υπόψη ότι η μονάδα τυροκόμισης διαθέτει εγκατάσταση αερόβιας επεξεργασίας για τα παραγόμενα νερά πλύσης. Λύση UASB Απαιτείται ανάμιξη των δύο ρευμάτων αποβλήτων. Στην περίπτωση αυτή έχουμε τα εξής: Τελική παροχή = 100 + 1000 = 1100 m 3 /d Τελικό COD = (100*60 + 1000*2 ) / 1100 = 7.27 kg/m 3 Λαμβάνοντας υπόψη τον ρυθμό οργανικής φόρτισης για UASB (βλέπε Πίνακα 10), o απαιτούμενος όγκος του αντιδραστήρα υπολογίζεται ίσος με: V = Q * COD / OLR = (1100 * 7.27) / 15 = 533 m 3 CONTACT Απαιτείται ανάμιξη του παραγόμενου τυρογάλακτος με τα νερά πλύσης σε αναλογία 1:1. Στην περίπτωση αυτή έχουμε τα εξής: Τελική παροχή = 100 + 100 = 200 m 3 /d Τελικό COD = (100*60 + 100*2) / 200 = 31 kg/m 3 (σε συμφωνία με τον Πίνακα 10) Λαμβάνοντας υπόψη το ρυθμό οργανικής φόρτισης για συστήματα επαφής (βλέπε Πίνακα 10), ο απαιτούμενος όγκος του αντιδραστήρα υπολογίζεται ίσος με: V = Q * COD / OLR = (200 * 31) / 7 = 885 m 3 19

CSTR Στην περίπτωση του συμβατικού χωνευτή πλήρους ανάδευσης (CSTR) δεν απαιτείται ανάμιξη των δύο ρευμάτων αποβλήτων. Η τροφοδοσία του αντιδραστήρα θα γίνει μόνο με το παραγόμενο τυρόγαλο. Δηλαδή, Παροχή = 100 m 3 /d COD = 60 kg/m 3 Λαμβάνοντας υπόψη το ρυθμό οργανικής φόρτισης για συστήματα CSTR (βλέπε Πίνακα 10), ο απαιτούμενος όγκος του αντιδραστήρα υπολογίζεται ίσος με: V = Q * COD / OLR = (100 * 60) / 2.5 = 2400 m 3 Υπολογισμός παραγόμενων ποσοτήτων βιοαερίου Ο ρυθμός παραγωγής βιοαερίου (R BG ) και μεθανίου (R CH4 ) μπορεί να υπολογιστεί από τις σχέσεις: R CH4 = Y CH4 * Q * (CODin CODout) R BG = Y BG/COD * Q * CODin Όπου Y CH4 = συντελεστής ανάκτησης μεθανίου (0.35-0.37 Νm 3 CH 4 /kgcod που απομακρύνεται στον χωνευτή) Y BG/COD = ο συντελεστής παραγωγής βιοαερίου (συνήθως μεταξύ 0.45-0.65 m 3 / kgcod που εισάγεται στο σύστημα) Q = παροχή των αποβλήτων (m 3 /d) CODin = εισερχόμενη συγκέντρωση COD των αποβλήτων (kgcod/m 3 ) CODout= εξερχόμενη συγκέντρωση COD των αποβλήτων (kgcod/ m 3 ) Ο συντελεστής παραγωγής βιοαερίου είναι συνάρτηση τόσο των χαρακτηριστικών του αποβλήτου, όσο και των συνθηκών λειτουργίας του αντιδραστήρα (ph, θερμοκρασία, ρυθμός οργανικής φόρτισης κλπ). Για ένα υπό εξέταση οργανικό απόβλητο, ο προσδιορισμός του συντελεστή παραγωγής βιοαερίου όπως επίσης και η περιεκτικότητα του βιοαερίου σε μεθάνιο, προκύπτουν από την εκπόνηση εργαστηριακών μελετών. Σε αυτές περιλαμβάνονται δοκιμές σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου αλλά και σε 20

αντιδραστήρες συνεχούς λειτουργίας. Από τις εργαστηριακές μελέτες προκύπτουν δεδομένα που αφορούν τα χαρακτηριστικά των ανεπεξέργαστων αποβλήτων, τις παραμέτρους σχεδιασμού του αναερόβιου αντιδραστήρα (πχ ρυθμός οργανικής φόρτισης, υδραυλικός χρόνος παραμονής, παραγωγή βιοαερίου και μεθανίου), και τη σύσταση της τελικής εκροής. Σε έναν αντιδραστήρα αναερόβιας χώνευσης ο οποίος λειτουργεί σύμφωνα με τις παραμέτρους σχεδιασμού, η περιεκτικότητα του βιοαερίου σε μεθάνιο κυμαίνεται συνήθως μεταξύ 60-70%. Ένα τυπικό διάγραμμα ροής του απαιτούμενου εξοπλισμού διαχείρισης του παραγόμενου βιοαερίου δίνεται στο Σχήμα 11. Απομάκρυνση υδροθείου Απομάκρυνση υγρασίας Πυρσός ασφαλείας Βιοαέριο Αποθήκευση βιοαερίου Γεννήτρια ή λέβητας Σχήμα 11. Τυπικό διάγραμμα ροής ενός συστήματος διαχείρισης του παραγόμενου βιοαερίου σε μια εγκατάσταση αναερόβιας χώνευσης οργανικών αποβλήτων. Υπολογισμός απαιτήσεων θέρμανσης Οι απαιτήσεις θέρμανσης των εισερχόμενων αποβλήτων μπορούν να υπολογιστούν από τη σχέση: q = m c p (Τ DG T W ) q m = απαιτήσεις θέρμανσης (kj/d) = παροχή αποβλήτων (kg/d) c p = συντελεστής θερμοχωρητικότητας υγρών αποβλήτων (4.2 kj/kg o K) T DG = θερμοκρασία χωνευτή ( ο Κ) Τ W = θερμοκρασία αποβλήτων ( ο Κ) 21

Παράδειγμα Να υπολογίσετε (α) τον όγκο του αναερόβιου αντιδραστήρα, (β) την ημερήσια παραγωγή βιοαερίου, (γ) την ημερήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, και (δ) τις απαιτήσεις θέρμανσης του υγρού αποβλήτου, για την αναερόβια επεξεργασία βιομηχανικών υγρών αποβλήτων με αρχική θερμοκρασία 15 o C, συγκέντρωση COD = 20.000 mg/l και παροχή 100 m 3 /d. Να ληφθούν υπόψη τα εξής: αναερόβιος αντιδραστήρας επαφής, ρυθμός οργανικής φόρτισης σχεδιασμού 5 kg/m 3 d, θερμοκρασία λειτουργίας 30 ο C, συντελεστής παραγωγής βιοαερίου 0.5 m 3 /kg COD, περιεκτικότητα βιοαερίου σε μεθάνιο 65%, ενεργειακό περιεχόμενο μεθανίου 36000 kj/m 3, συντελεστής απόδοσης ηλεκτρογεννήτριας 3.6 kwh-el/ m 3 CH 4. Λύση Ο όγκος του αναερόβιου αντιδραστήρα υπολογίζεται από τη σχέση: V = Q*COD/ OLR = (100 m 3 /d)* (20 kg/m 3 ) / (5 kg/m 3 d) = 400 m 3 Η ημερήσια παραγωγή βιοαερίου υπολογίζεται από τη σχέση: R BG = Y BG/COD * Q * COD = (0.50 m 3 /kg COD) * (100 m 3 /d) * (20 kgcod /m 3 ) = 1000 m 3 /d Και ακολούθως η ημερήσια παραγωγή μεθανίου προκύπτει ίση με: R CH4 = R BG/COD * CH 4 = (1000 m 3 /d) * (0.65) = 650 m 3 /d Λαμβάνοντας υπόψη την απόδοση της ηλεκτρογεννήτριας υπολογίζουμε την ημερήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ως εξής: (650 m 3 CH 4 / d) * (3.6 kwh-el/ m 3 ) = 2340 kwh-el ημερησίως Τέλος, οι απαιτήσεις θέρμανσης των εισερχόμενων αποβλήτων υπολογίζονται από τη σχέση: q = m c ΔT = (100 000 kg/d) * (4.2 kj/kg o K) * (15 o K) = 6 300 000 kj/d το ποσό αυτό θερμότητας ισοδυναμεί με: (6 300 000 kj/d) / (36 000 kj/m 3 CH 4 ) = 175 m 3 CH 4 / d 22