Σχολή Θετικών Επιστημών & Τεχνολογίας
Μεταπτυχιακό Πρόγραμμα Σπουδών
‘’ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ’’
ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ
ΚΑΙΝΟΤΟΜΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΤΩΝ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ
ΙΣΑΑΚΙΔΗΣ ΑΝΔΡΕΑΣ
ΟΝΟΜΑ ΕΠΙΒΛΕΠΟΝΤΑ ΚΑΘΗΓΗΤΗ Επιβλέπων Α’ Ακράτος Χρήστος Επιβλέπων Β’ Γκολφινόπουλος Σπυρίδων
ΠΑΤΡΑ ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ,2020
© Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο, 2020
Η παρούσα Εργασία καθώς και τα αποτελέσματα αυτής, αποτελούν συνιδιοκτησία του ΕΑΠ και του φοιτητή, ο καθένας από τους οποίους έχει το δικαίωμα ανεξάρτητης χρήσης, αναπαραγωγής και αναδιανομής τους (στο σύνολο ή τμηματικά) για διδακτικούς και ερευνητικούς σκοπούς, σε κάθε περίπτωση αναφέροντας τον τίτλο και το συγγραφέα της Εργασίας καθώς και το όνομα του ΕΑΠ όπου εκπονήθηκε.
Διπλωματική Εργασία
ΚΑΙΝΟΤΟΜΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ
ΙΣΑΑΚΙΔΗΣ ΑΝΔΡΕΑΣ
Επιτροπή Επίβλεψης Διπλωματικής Εργασίας
Επιβλέπων Καθηγητής Συν-Επιβλέπων Καθηγητής Ακράτος Χρήστος Γκολφινόπουλος Σπυρίδων
ΠΑΤΡΑ
ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ,2020
«Ευχαριστίες»
Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια του μεταπτυχιακού προγράμματος «Διαχείριση Αποβλήτων» του Ελληνικού Ανοιχτού Πανεπιστημίου.
Αρχικά, θα ήθελα να απευθύνω τις ευχαριστίες μου στον επιβλέποντα καθηγητή μου, Χρήστο Ακράτο, για το ενδιαφέρον και την καθοδήγησή του καθ’ όλη τη διάρκεια της εκπόνησης αυτής της έρευνας, καθώς και στον συνεπιβλέποντα καθηγητή Γκολφινόπουλο Σπυρίδων και την
εξεταστική επιτροπή για την παρουσία και το χρόνο τους.
Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω το οικογενειακό και φιλικό μου περιβάλλον, για τη στήριξη και τη συμπαράσταση κατά τη διάρκεια αυτού του μεταπτυχιακού προγράμματος.
Ανδρέας Ισαακίδης, Πάτρα, Σεπτέμβριος 2020
Διπλωματική Εργασία
ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Στην παρούσα Διπλωματική εργασία με θέμα ΄΄Καινοτόμες τεχνολογίες για την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων’’ μελετήθηκαν και αξιολογήθηκαν διάφορες τεχνολογίες σχετικά με την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων.
Η παραγωγή υγρών αποβλήτων αυξήθηκε ραγδαία με την παγκόσμια αύξηση του πληθυσμού. Για αυτό χρησιμοποιούνται διάφορες τεχνολογίες επεξεργασίας (τεχνητοί υγρότοποι , η τεχνολογία MBR και MBBR) με σκοπό την μείωση της ρύπανσης των λυμάτων και την ελαχιστοποίηση των δυσμενών επιπτώσεων στο περιβάλλον και την ανθρώπινη υγεία.
Αρχικά οι τεχνητοί υγρότοποι αποτελούν μια τεχνολογία επεξεργασίας που διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στον περιορισμό των θρεπτικών συστατικών καιστον καθαρισμό των υδάτων. Είναι μια τεχνολογία επεξεργασίας λυμάτων που βασίζεται στην βελτιστοποίηση των χημικών, φυσικών και βιολογικών επιδράσεων των φυσικών οικοσυστημάτων του υγροτόπου. Οι τεχνητοί υγρότοποι χρησιμοποιούνται ευρέως για την επεξεργασία των λυμάτων μέσω μακροφυτών λόγω του χαμηλού κόστους κατασκευής, λειτουργίας και συντήρησής τους, της υψηλής διακοσμητικής αξίας τους και της ικανοποιητικής αποτελεσματικότητας στην επεξεργασία τους.
Στην συνέχεια η μέθοδος MBR αποτελεί έναν ακόμη καινοτόμο τρόπο επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων. Τα τελευταία 20 χρόνια αυξήθηκε σε μεγάλο βαθμό η χρήση της τεχνολογίας των βιοαντιδραστήρων με μεμβράνη (MBR)και για αυτό χρησιμοποιείται σε αρκετές χώρες για την προστασία των υδάτων με σκοπό την ενίσχυση τους και την επαναχρησιμοποίηση τους. Ο συγκεκριμένος βοαντιδραστήρας επεξεργάζεται τόσο αστικά λύματα όσο και βιομηχανικά. Τα πλεονεκτήματα που έχει συγκριτικά με άλλες μεθόδους αφορούντην ποιότητα εκροής και τον καλύτερο έλεγχο της διαδικασίας, ενώ μειονέκτημα είναι η υψηλή κατανάλωση ενέργειας και το υψηλό κόστος λειτουργίας
Έπειτα αναπτύσσεται η τεχνολογία MBBR. Η συγκεκριμένη τεχνολογία επεξεργασίας αναπτύχθηκε στην Νορβηγία στα μέσα της δεκαετίας του 80’.
Είναι μια οικονομική και αποτελεσματική λύση που έχει σκοπό την
απομάκρυνση των οργανικών ουσιών και χρησιμοποιείται τόσο για την επεξεργασία βιομηχανικών λυμάτων όσο και για την επεξεργασία οικιακών λυμάτων. Την απόδοση του MBBR επηρεάζουν παράγοντες όπως για παράδειγμα το διαλυμένο οξυγόνο , το μέγεθος και σχήμα του φορέα, τον χρόνο υδραυλικής παραμονής.
Τέλος μελετήθηκε η εφαρμογή των παραπάνω μεθόδων σε οινοποιείο που βρίσκεται στην περιοχή της Κορμίστας των Σερρών.
Διπλωματική Εργασία
ABSTRACT
In this thesis on "Innovative Wastewater Treatment Technologies" various technologies related to wastewater treatment have been studied and evaluated.
Wastewater production increased rapidly with the global population increase.
Various treatment technologies (artificial wetlands, MBR and MBBR technology) are used for this purpose to reduce sewage pollution and minimize adverse effects on the environment and human health.
Initially, artificial wetlands are a treatment technology that have an important role in nutrient restriction and water purification. It is a sewage treatment technology based on the optimization of the chemical, physical and biological effects of the natural wetland ecosystems. Artificial wetlands are widely used for wastewater treatment by macrophytes due to their low cost of construction, operation and maintenance, their high decorative value and their efficient treatment efficiency.
The MBR method is then another innovative way to treat waste water. The use of membrane bioreactor (MBR) technology has greatly increased in the last 20 years and is therefore used in several countries to protect water for its enhancement and reuse. This bioreactor processes both municipal and industrial wastewater. Its advantages over other methods are the quality of output and better control of the process, while the disadvantage is the high power consumption and high operating costs.
The MBBR technology is then developed. This processing technology was developed in Norway in the mid 80's. It is an economical and effective solution aimed at the removal of organic substances and is used for both industrial waste water treatment and domestic waste water treatment. MBBR performance is influenced by factors such as dissolved oxygen, size and shape of the carrier, hydraulic residence time.
Finally, the application of the above methods to a winery located in the Kormista area of Serres was studied.
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ
«Ευχαριστίες» ... 3
ΠΕΡΙΛΗΨΗ ... 4
ABSTRACT ... 6
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ... 7
Κατάλογος Εικόνων ... 10
Κατάλογος Πινάκων ... 11
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ... 12
1.Εισαγωγή ... 12
1.2 Καινοτομία και συνεισφορά της εργασίας ... 14
1.3 Επεξεργασία υγρών αποβλήτων ... 15
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΤΕΧΝΗΤΟΙ ΥΓΡΟΤΟΠΟΙ ... 16
2.1 Εισαγωγή στους Τεχνητούς Υγροτόπους... 16
2.2 Ιστορικό Πλαίσιο Υγροτόπου ... 18
2.3 Τύποι τεχνητών υγροτόπων ... 19
2.3.1 Τεχνητοί υγρότοποι επιφανειακής ροής ... 19
2.3.2 Τεχνητοί υγρότοποι κατακόρυφης ροής και πλωτές κλίνες τεχνητών υγροτόπων ... 20
2.3.3 Τεχνητοί υγρότοποι με οριζόντια υπο-επιφανειακή ροή ... 21
2.3.4 Υβριδικοί τεχνητοί υγρότοποι ... 22
2.4 Τα χαρακτηριστικά ροής των υγροτόπων ... 23
2.5 Βλάστηση στους υγροτόπους ... 24
2.6 Προεπεξεργασία και υπόστρωμα τεχνητού υγροτόπου ... 25
2.7 Θερμοκρασία και ρΗ στους τεχνητούς υγροτόπους ... 26
2.8 Επαναχρησιμοποίηση υδάτων στους τεχνητούς υγροτόπους... 27
2.9 Οικονομικό πλαίσιο τεχνητού υγροτόπου ... 27
2.10 Βιομηχανικά λύματα στους τεχνητούς υγροτόπους ... 29
2.11 Απόβλητα οινοποιείων και τεχνητοί υγρότοποι ... 30
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΒΙΟΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ (MBR) ... 32
3.1 Εισαγωγή στην τεχνολογία MBR ... 32
3.2 Ιστορικό πλαίσιο του MBR ... 34
Διπλωματική Εργασία
3.3 Ρύπανση της μεμβράνης ... 35
3.4 Έλεγχος της ρύπανσης στους MBR... 37
3.5 Αντιμετώπιση της ρύπανσης ... 37
3.6 Τεχνικά οφέλη και προβλήματα τεχνολογίας των MBR ... 39
3.7 Θερμοκρασία, HRT και ρΗ στους MBR ... 39
3.8 Επαναχρησιμοποίηση υδάτων ... 40
3.9 Οικονομικό πλαίσιο του βιοαντιδραστήρα μεμβρανών (MBR) ... 41
3.10 Βιοαντιδραστήρας μεμβρανών (MBR) στη βιομηχανία ... 42
3.11 Απόβλητα οινοποιείου και MBR ... 43
3.12 Μελλοντικές προκλήσεις για τους MBR ... 44
3.12.1 Εξέλιξη των μεμβρανών ανάλογα με τα χαρακτηριστικά των μεμβρανών, το χαμηλό κόστος ... 45
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ MBBR ... 46
4.1 Εισαγωγή στην τεχνολογία MBBR ... 46
4.2 Ιστορικό πλαίσιο του MBBR ... 47
4.3 Διαδικασία επεξεργασίας του συστήματος MBBR ... 48
4.3.1 Πλεονεκτήματα της τεχνολογίας MBBR ... 48
4.3.2 Μειονεκτήματα της τεχνολογίας MBBR ... 49
4.4 Πλήρωση του φορέα στον MBBR ... 50
4.5 Βιοφίλμ στους MBBR ... 50
4.6 Φάση ανάπτυξης των βακτηρίων σε έναν MBBR ... 51
4.7 Νιτροποίηση και απονιτροποίηση στην διαδικασία MBBR ... 52
4.8. Σύστημα αερισμού στους ΜBBR ... 53
4.9 Παράγοντες επιρροής του MBBR ... 54
4.10 Παραλλαγές του συστήματος MBBR ... 55
4.11 Επαναχρησιμοποίηση υδάτων για MBBR ... 56
4.12 Απόβλητα βιομηχανίας σε MBBR ... 57
4.13 Απόβλητα οινοποιείου σε MBBR ... 58
4.14 Εκτίμηση κύκλου ζωής και οικονομικό πλαίσιο στους MBBR ... 58
4.14.1 Επιχειρησιακά ζητήματα του MBBR ... 59
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. ΜΕΛΕΤΗ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗΣ ... 60
5.1 ΟΙΝΟΠΟΙΕΙΟ ΣΤΗΝ ΚΟΡΜΙΣΤΑ ΣΕΡΡΩΝ ... 60
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ... 63 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ ... 65
Διπλωματική Εργασία
Κατάλογος Εικόνων
Σχήμα 2.1 : Διεργασίες τεχνητού υγροτόπου………..17 Σχήμα 2.3.2: Γραφική σχεδίαση μεθόδου τεχνητού υγροτόπου κατακόρυφης ροής (VFTW) και πλωτής κλίνης (FTW)………...………..21 Σχήμα 3.1 : Βασικό σχήμα MBR α) βυθισμένο β) πλευρικής ροής....32 Σχήμα 3.3: Παράγοντες επιρροής της ρύπανσης της μεμβράνης………34 Σχήμα 4.1 : Αντιδραστήρας MBBR………46 Σχήμα 4.6: Φάσεις ανάπτυξης βακτηρίων……….49 Σχήμα 4.8: α) Διάταξη αερόβιου αντιδραστήρα ,β) διάταξη αναερόβιου αντιδραστήρα………..….52 Σχήμα 4.10: Παραλλαγές του MBBR………54 Σχήμα 5.1 : Οινοποιείο Παγωνά στην Κορμίστα Σερρών……………..61
Κατάλογος Πινάκων
Πίνακας 2.9: Συνολικά κόστη υγροτόπου………....28 Πίνακας 2.11 : Χαρακτηριστικά αποβλήτων λευκού και ερυθρού οίνου.31 Πίνακας 3.3: Τυπικές περιοχές ανά κατηγορία ρυπάνσεων………..33 Πίνακας 4.7: Όρια ρΗ ,θερμοκρασίας και διαλυμένου οξυγόνου στην νιτροποίηση………50 Πίνακας 5.1 : Συνολικά κόστη / m3 ανά μέθοδο……….61
Διπλωματική Εργασία
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ
1.Εισαγωγή
Η έντονη αστικοποίηση που επικρατεί παγκοσμίως τις τελευταίες δεκαετίες έχει αυξήσει τις δραστηριότητες και την ζήτηση των αναγκών των ανθρώπων, με αποτέλεσμα οι ενέργειές τους αυτές να επηρεάζουν το περιβάλλον δυσμενώς. Η εκτεταμένη χρήση των υδάτων πρέπει να είναι ελεγχόμενη και να συνδυάζεται με την σωστή επεξεργασία των υγρών αποβλήτων τους διότι αλλιώς ενδέχεται να έχει επιζήμιες επιπτώσεις στο περιβάλλον, όπως η υποβάθμιση του οικοσυστήματος και του εδάφους (Kivaisi, 2001).
Πολλές φορές η διαχείριση των λυμάτων και οι εγκαταστάσεις τους αποτελούν χαμηλή προτεραιότητα για τις χώρες, με αποτέλεσμα πολλές ποσότητες ακατέργαστων λυμάτων να καταλήγουν απευθείας στους αποδέκτες όπως σε λίμνες ή ρέματα (Konnerup et al., 2011 , Senzia et al., 2003). Η μόλυνση του νερού από τα μη επεξεργασμένα ύδατα αποτελούν πηγή μόλυνση για όλους τους ζωτικούς οργανισμούς και ακατάλληλα για άρδευση γης.
Η ανάγκη επεξεργασίας των λυμάτων καθίσταται πλέον επιτακτική και αυτό ορίζεται και με βάσει την οδηγία της ΕΕ 1991/271 / ΕΟΚ.
Με την παρούσα διπλωματική εργασία με θέμα ‘’Καινοτόμες τεχνολογίες για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων’’ επιχειρείται η ανάλυση των διάφορων μεθόδων επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων σε αστικά και βιομηχανικά επίπεδα και την περαιτέρω ενασχόληση με την εφαρμογή αυτών σε οινοποιεία.
Το θέμα που επιλέχθηκε στην διπλωματική εργασία αποσκοπεί στην συνεισφορά της γνώσης στην επιστημονική κοινότητα, αναλύοντας εμπεριστατωμένα ένα μεγάλο εύρος στον τομέα των τεχνολογιών όπου αυτές οι καινοτόμες τεχνολογίες αναλύονται ενδελεχώς.
Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε στην συγκεκριμένη διπλωματική εργασία ήταν σε πολύ μεγάλο ποσοστό η αναζήτηση επιστημονικών άρθρων και περιοδικών ,καθώς και δημοσιευμένα βιβλία της διεθνούς και εγχώριας επιστημονικής κοινότητας των τελευταίων δέκα περίπου ετών.
Στην συνέχεια έγινε η αξιολόγηση και η αξιοποίηση των κατάλληλων πηγών που σχετίζονταν με το θέμα. Αυτό είχε ως κατάληξη ,τα συμπεράσματα της διπλωματικής όπου καταγράφηκαν όλα τα βασικά σημεία της εργασίας. Στην τελευταία ενότητα συντάχθηκαν πλήρως οι βιβλιογραφικές αναφορές της παρούσας διπλωματικής εργασίας.
Όσον αφορά στην δομή της διπλωματικής εργασίας, αξίζει να εστιαστούν τα βασικά της σημεία, σε όλη την έκτασή της. Στην αρχή γίνεται αναφορά για την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων και την σύσταση αυτών.
Στην συνέχεια το κύριο μέρος της εργασίας ,που καταλαμβάνει μεγάλη έκταση, αναφέρεται στις καινοτόμες τεχνολογίες με σκοπό την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων. Αυτές είναι τρείς και αποτελούν ξεχωριστά κεφάλαια μέσα στην εργασία. Πρώτη τεχνολογία είναι οι τεχνητοί υγρότοποι. Αυτοί αποτελούν μια αρκετά καλή λύση , ειδικά για μικρούς οικισμούς. Η χρήση τους γίνεται ολοένα και πιο δημοφιλή τα τελευταία χρόνια. Αντιπροσωπεύει μια νέα και καινοτόμα λύση για την προστασία και την αποκατάσταση του περιβάλλοντος, έχοντας χαμηλό κόστος κατασκευής ,λειτουργίας και συντήρησης.
Μία ακόμα καινοτόμα τεχνολογία είναι η μέθοδος ΜΒR. Η συγκεκριμένη μέθοδος έναν καινοτόμο τρόπο επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων. Τα τελευταία 20 χρόνια αυξήθηκε σε μεγάλο βαθμό η χρήση της τεχνολογίας των βιοαντιδραστήρων με μεμβράνη (MBR) , με την χρήση τους τόσο στην βιομηχανία όσο και για αστικά λύματα. Χρησιμοποιείται σε πολλές χώρες με σκοπό την προστασία των υδάτων. Τα πλεονεκτήματα που έχει συγκριτικά με άλλες συμβατικές μεθόδους αφορούν την ποιότητα εκροής και τον καλύτερο έλεγχο της διαδικασίας, ενώ κύριο μειονέκτημα αποτελεί η υψηλή κατανάλωση ενέργειας και το υψηλό κόστος λειτουργίας.
Διπλωματική Εργασία
Τέλος μια ακόμη τεχνολογία καθίσταται η MBBR. Τα συγκεκριμένα συστήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο για επεξεργασία οικιακών λυμάτων όσο και για βιομηχανικών λυμάτων. Επίσης χρησιμοποιείται για την απονιτροποίηση του πόσιμου νερού.
Κυρίως χρησιμοποιείται για την διεξαγωγή νιτροποίησης και απονιτροποίησης σε ξεχωριστούς ή στον ίδιο αντιδραστήρα. Η λειτουργία των αντιδραστήρα μπορεί να γίνει είτε σε αναερόβιες συνθήκες είτε σε αναερόβιες.
Στην συνέχεια μελετάται η περίπτωση για την εφαρμογή αυτών των τεχνολογιών σε οινοποιεία και πιο συγκεκριμένα στο οινοποιείο Παγωνά που εδρεύει στην Κορμίστα Σερρών.
Τα οινοποιεία παράγουν μεγάλες ποσότητες αποβλήτων περιέχοντας κυρίως συγκεντρώσεις οργανικών οξέων και αλκοολών.
Γενικότερα τα απόβλητα των οινοποιείων δημιουργούν προβλήματα στο περιβάλλον σε περίπτωση που δεν οδηγηθούν για επεξεργασία. Τις τελευταίες δύο δεκαετίες έχουν προταθεί διάφορες τεχνολογίες επεξεργασίας όπως οι φυσικοχημικές ή οι διάφορες βιολογικές.
Τέλος συγκεντρώνονται τα συμπεράσματα της διπλωματικής εργασίας έχοντας ως σκοπό την πλήρη κατανόηση του θέματος των καινοτόμων τεχνολογιών για την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων.
1.2 Καινοτομία και συνεισφορά της εργασίας
Όπως παρατηρήθηκε από αναδρομή στην υπάρχουσα ακαδημαϊκή βιβλιογραφία, υπάρχουν πολλά διαθέσιμα συγγράμματα σχετικά με τις καινοτόμες τεχνολογίες για την επεξεργασία των υγρών λυμάτων. Το πλήθος των πληροφοριών αφορά τις μεθόδους επεξεργασίας και συναντάται συνήθως ανά είδος βιομηχανίας ή μέθοδο επεξεργασίας.
Για παράδειγμα, μπορεί κάποιος να συναντήσει τις καινοτόμες τεχνολογίες επεξεργασίας που σχετίζονται με επεξεργασία των λυμάτων στα οινοποιεία ή
επίσης συγγράμματα σχετικά με τις μεθόδους MBR, MBBR και για τους τεχνητούς υγροτόπους.
Η παρούσα διπλωματική εργασία ,λοιπόν, με θέμα ‘’Καινοτόμες τεχνολογίες για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων’’ επιχειρεί να αναλύσει μέσω όλων των διαθέσιμων πληροφοριών για το συγκεκριμένο θέμα τις διάφορες τεχνολογίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην επεξεργασία των υγρών λυμάτων. Συνεπώς γίνεται προσπάθεια να αναλυθούν οι μέθοδοι επεξεργασίας σε σχέση με οικιακά ή βιομηχανικά λύματα.
Η προσφορά στην ήδη υπάρχουσα ακαδημαϊκή γνώση αφορά την καταγραφή των καινοτόμων μεθόδων επεξεργασίας αποβλήτων ενός μόνο τομέα, των υγρών αποβλήτων, όλων των βιομηχανιών και οικιακών λυμάτων.
1.3 Επεξεργασία υγρών αποβλήτων
Τα τελευταία χρόνια λόγω της ταχείας ανάπτυξης της οικονομίας, η υποβάθμιση των υδάτινων περιβαλλόντων αυξάνεται. Αυτό έχει αποτέλεσμα να χρησιμοποιούνται διάφορες τρόποι για την επεξεργασία των λυμάτων.
Στα οικιακά λύματα περιέχονται λύματα πλούσια σε φώσφορο, άζωτο, και θείο με αποτέλεσμα να οδηγούνται εύκολα σε ευτροφισμό.
Ο ευτροφισμός αποτελεί μία από τις κυριότερες πηγές ρύπανσης για τα ύδατα.
( Vymazal and Březinová, 2016).
Για την επιλογή της καταλληλότερης τεχνολογίας για την επεξεργασία λυμάτων λαμβάνονται υπόψη τεχνικές, περιβαλλοντικές και οικονομικές πτυχές (Molinos-Senante et al., 2014). Οι πιθανές περιβαλλοντικές επιπτώσεις που σχετίζονται με τα συστήματα επεξεργασίας των λυμάτων μπορούν να βοηθήσουν για την καλύτερη επιλογή του συστήματος επεξεργασίας ή στην καλυτέρευση του υπάρχοντος. Σκοπός τους σε κάθε περίπτωση είναι η μείωση των πιθανών περιβαλλοντικών επιπτώσεων των δραστηριοτήτων τους (Gallego et al., 2008 ).
Διπλωματική Εργασία
Οι στόχοι του συστήματος επεξεργασίας πρέπει να υπερβαίνει την προστασία της ανθρώπινης υγείας και των επιφανειακών υδάτων αλλά πρέπει να στοχεύει και στην μείωση των αποβλήτων και την ανακύκλωση των θρεπτικών συστατικών (Sena and Hicks, 2018 ).
Ως εκ τούτο, η επιλογή του κατάλληλου συστήματος για την επεξεργασία υγρών λυμάτων, πρέπει να λαμβάνει υπόψη τόσο τους οικονομικούς παραμέτρους (π.χ κόστη κατασκευής) όσο και τους περιβαλλοντικούς (π.χ ευτροφισμός). Η εκτίμηση της βιωσιμότητας, που περιλαμβάνει τον υπολογισμό και την ανάλυση του κύκλου ζωής των υγρών αποβλήτων, καθίσταται σημαντική για την επιλογή συστήματος επεξεργασίας (Foley et al., 2010).
Σκοπός της συγκεκριμένης διπλωματικής, είναι η ανάλυση ορισμένων συστημάτων επεξεργασίας υγρών λυμάτων που επιλέχθηκαν και καλύπτουν τις προαναφερθείσες προδιαγραφές. Η εφαρμογή των συστημάτων αυτών λαμβάνει χώρα σε οινοποιό που επιλέχθηκε στην περιοχή της Κορμίστας των Σερρών.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΤΕΧΝΗΤΟΙ ΥΓΡΟΤΟΠΟΙ
2.1 Εισαγωγή στους Τεχνητούς Υγροτόπους
Οι τεχνητοί υγρότοποι διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στον καθαρισμό των υδάτων και στον περιορισμό των θρεπτικών συστατικών.
Αποτελούν μια τεχνολογία επεξεργασίας λυμάτων που βασίζεται στην βελτιστοποίηση των χημικών, φυσικών και βιολογικών επιδράσεων των φυσικών οικοσυστημάτων του υγροτόπου. Οι τεχνητοί υγρότοποι είναι τεχνητά κατασκευασμένα συστήματα που είναι ελεγχόμενα και λαμβάνουν λάσπη και λύματα (Huang et al, 2017). Για αυτό χρησιμοποιούνται ευρέως για την επεξεργασία των λυμάτων μέσω μακροφυτών εξαιτίας του χαμηλού κόστους κατασκευής και λειτουργίας τους, της υψηλής διακοσμητικής αξίας
τους και της ικανοποιητικής αποτελεσματικότητας στην επεξεργασία τους (Ilyas και Masih, 2017).
Τα συγκεκριμένα συστήματα έχουν κατασκευαστεί για να μιμούνται τους φυσικούς υγροτόπους καθώς περιέχουν βλάστηση ,κατάλληλο υπόστρωμα και μικροοργανισμούς που σε συνδυασμό μεταξύ τους επιτρέπουν την απομάκρυνση των τοξικών και θρεπτικών ουσιών από το νερό (Saeed and Sun, 2012).
Τα φυτά που επιλέγονται στους τεχνητούς υγροτόπους είναι κυρίως τα αναδυόμενα φυτά όπως τα cattails και τα καλάμια.
Αυτά τα φυτά δημιουργούν αερόβιες συνθήκες και έχουν την δυνατότητα να απορροφούν ρύπους όπως Ν , Ρ ή βαρέα μέταλλα. Επίσης μπορούν να βελτιώσουν τις υδραυλικές συνθήκες της ροής των λυμάτων. Στο παρακάτω σχήμα 2.1 παρουσιάζονται οι διεργασίες ενός τεχνητού υγροτόπου.
Ο ρυθμός απομάκρυνσης του φωσφόρου των οικιακών λυμάτων από τον υγρότοπο φθάνει ως 90%,του αζώτου το 60% ενώ η απομάκρυνση του ΝΗ4 + - Ν φθάνει το 85%. Η απομάκρυνση του νιτρικού αζώτου επιτυγχάνεται κατά κύριο λόγο με την μετατροπή του νιτρικού αζώτου μέσω απονιτροποίησης από μικροοργανισμούς. Η διαδικασία της απονιτροποίησης λαμβάνει μέρος σε αναερόβιο περιβάλλον.
Η απονιτροποίηση στους τεχνητούς υγροτόπους περιορίζεται στα νιτρικά άλατα και σε οργανική ύλη ( Lu et al., 2016a). Οι περιβαλλοντικοί παράγοντες που επηρεάζουν την απονιτροποίηση στους τεχνητούς υγροτόπους αφορούν την συγκέντρωση του ρΗ, της θερμοκρασίας, του DO. Το τοπικό κλίμα που επικρατεί στην περιοχή του υγροτόπου επηρεάζει την απόδοσή του.
Πιο συγκεκριμένα επηρεάζεται η βιολογική ζήτηση του οξυγόνου και η αφαίρεση του αζώτου (Taylor et al., 2011). Επίσης η απόδοση και η διάρκεια ζωής των τεχνητών υγροτόπων επηρεάζεται από την ποσότητα και την ποιότητα της ροής, από την περιεκτικότητα σε ρύπους και από την ποσότητα των διαλυμένων στερεών (Garfí et al., 2012).
Διπλωματική Εργασία
Σχήμα 2.1 : Διεργασίες τεχνητού υγροτόπου.
2.2 Ιστορικό Πλαίσιο Υγροτόπου
Οι υγρότοποι ,σε υδρολογικό πλαίσιο, μπορούν να χαρακτηριστούν ως περιοχές με τρεχούμενο ή στατικό νερό, φυσικές ή τεχνητές, μόνιμες ή προσωρινές όπου σε παλιρροιακές συνθήκες δεν υπερβαίνουν τα 6 μέτρα (Bragg, 2002).
Οι υγρότοποι στην αρχή χρησιμοποιήθηκαν για την επεξεργασία των λυμάτων από σημεία πηγής. Η απομάκρυνση διάφορων ρύπων από το νερό ,μέσω βλάστησης, στους υγροτόπους έλαβε μέρος στη Γερμανία στις αρχές της δεκαετίας του 1950 (Vymazal, 2005). Ο πρώτος πλήρης υγρότοπος κατασκευάστηκε στην Ολλανδία με σκοπό την επεξεργασία λυμάτων σε κάμπινγκ. Κατά την δεκαετία του 1970 και 1980 οι τεχνικοί υγρότοποι χρησιμοποιήθηκαν κατά κύριο λόγο για την επεξεργασία δημοτικών και οικιακών λυμάτων. Από το 1990 ,οι τεχνητοί υγρότοποι μελετήθηκαν για την χρήση τους σε όλα τα είδη των λυμάτων όπως λύματα από γεωργικές εκμεταλλεύσεις , από αποστράγγιση ορυχείων, από βιομηχανίες ή μεταποίηση τροφίμων (Fennessy et al., 1994). Οι υγρότοποι επεξεργάζονταν στην αρχή λύματα από σημειακές πηγές.
Οι τεχνητοί υγρότοποι χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της ρύπανσης από μη σημειακές πηγές τα τελευταία περίπου 20 χρόνια.
2.3 Τύποι τεχνητών υγροτόπων
Οι τεχνητοί υγρότοποι μπορούν να χωριστούν ανάλογα με τους παραμέτρους σχεδιασμού καθώς και με άλλα σημαντικά κριτήρια όπως αρχικά η υδρολογία. Με βάσει την υδρολογία ταξινομούνται σε ανοικτή ροή νερού και σε επιφανειακή ροή. Ένα ακόμη σημαντικό κριτήριο είναι ο τύπος μακροφυτικής ανάπτυξης που μπορούν να ταξινομηθούν σε αναδυόμενο, βυθισμένο ή πλωτό. Τέλος ένα σημαντικό κριτήριο αφορά στην διαδρομή στην υπο-επιφάνεια ροής στους υγροτόπους σε οριζόντια υπόγεια ροή και σε κατακόρυφη υποβρύχια ροή.
Διαφορετικοί τύποι από τους τεχνητούς υγροτόπους μπορούν να συνδυαστούν μεταξύ τους όπως για παράδειγμα τα υβριδικά ή τα συνδυασμένα συστήματα με σκοπό να αξιοποιήσουν τα πλεονεκτήματα από τα διαφορετικά τους συστήματα (Vymazal, 2008).
2.3.1 Τεχνητοί υγρότοποι επιφανειακής ροής
Οι τεχνητοί υγρότοποι επιφανειακής ροής (FWS) είναι ρηχές λεκάνες και αποτελούνται από κανάλια με χώμα ή άλλο υλικό για την επαρκεί υποστήριξη της ριζωμένης βλάστησης και νερό σχετικά μικρού βάθους που ρέει μέσα. Η ροή του νερού ρυθμίζεται από το βάθος του νερού ,τη παρουσία των φυτών, τη χαμηλή ταχύτητα ροής και των απορριμμάτων.
Οι ελεύθεροι υδατοκαλλιεργημένοι υγροβιότοποι με αναδυόμενα μακροφυτά λειτουργούν ως συστήματα βιολογικής επεξεργασίας. Οι κυριότεροι μηχανισμοί για την απομάκρυνση των αιωρούμενων στερεών είναι η διήθηση, η καθίζηση, η συσσωμάτωση και η προσκόλληση επιφάνειας.
Τα βαρύτερα και μεγαλύτερα σωματίδια εγκαθίστανται κατά κύριο λόγο στην ανοικτή ζώνη στην είσοδο των υδάτων.
Διπλωματική Εργασία
Η βλάστηση αποτελεί τον λόγο που την αύξηση της κατακρήμνισης με αποτέλεσμα να μειώνεται η ανάμιξη και η επαναιώρηση των σωματιδίων από την επιφάνεια των ιζημάτων.
Οι υγρότοποι επιφανειακής ροής χωρίζονται συνήθως σε αεριζόμενες ζώνες ,ειδικά κοντά στην επιφάνεια του νερού. Η αποσύνθεση της βιομάζας παρέχει μια σταθερή πηγή άνθρακα για απονιτροποίηση. Οι χαμηλές θερμοκρασίες τον χειμώνα ενισχύουν τη διαλυτότητα οξυγόνου στα ύδατα ενώ ταυτόχρονα επιβραδύνουν τη μικροβιακή δραστηριότητα (Kadlec and Knight, 1996).
Τα αποικοδομήσιμα οργανικά απομακρύνονται από το σύστημα υπο συνθήκες ηρεμίας με διήθηση και εναπόθεση. Για την απομάκρυνση διαλυτών οργανικών ενώσεων ευθύνεται η αιωρούμενη μικροβιακή ανάπτυξη.
Οι διαλυτές οργανικές ενώσεις αποικοδομούνται αερόβια στην στήλη του ύδατος και αναερόβια κοντά στον πυθμένα.
Το οξυγόνο παρέχεται στην υδάτινη στήλη των υγροτόπων μέσω διάχυσης.
Στους υγροτόπους επιφανειακής ροής με επιπλέουσα μακρόφυτα, τα φυτά καλύπτουν πλήρως την επιφάνεια του νερού με αποτέλεσμα να εμποδίζεται η διείσδυση του φωτός στην υδάτινη στήλη.
Αυτό έχει αποτέλεσμα να περιορίζεται η ανάπτυξη των φυκιών και να επικρατούν αναερόβιες συνθήκες λόγω της έλλειψης φωτοσύνθεσης των φυκών.
Το άζωτο απομακρύνεται κυρίως με νιτροποίηση ή απονιτροποίηση ενώ η απομάκρυνση του φωσφόρου στα συγκεκριμένα συστήματα γίνεται μέσω απορρόφησης, προσρόφησης ή καθίζησης αλλά με αργούς ρυθμούς.
2.3.2 Τεχνητοί υγρότοποι κατακόρυφης ροής και πλωτές κλίνες τεχνητών υγροτόπων
Οι τεχνητοί υγρότοποι κατακόρυφης ροής (VF) αποτελούνται από ένα επίπεδο με χαλίκι που άμμο και σε αυτό φυτεύονται τα μακρόφυτα.
Παρατηρήθηκαν υψηλά επίπεδα απομάκρυνσης του BOD και νιτροποίησης, ενώ χαμηλότερη σχετικά απονιτροποίησης σε σύγκριση με άλλες μεθόδους ( Vymazal, 2007).
Αυτά τα συστήματα πλημμυρίζουν στην επιφάνεια. Τα απόβλητα εισέρχονται σταδιακά και συλλέγονται σε ένα δίκτυο αποχέτευσης που βρίσκεται στην βάση.
Το συγκεκριμένο σύστημα έχει καλή ικανότητα νιτροποίησης και καλή μεταφορά οξυγόνου. Τα μακρόφυτα του συστήματος συμβάλλουν στην διατήρηση της υδραυλικής αγωγιμότητας
Μια νέα θεραπεία που χρησιμοποιείται είναι οι τεχνητοί υγρότοποι με πλωτή επεξεργασία (FTW), όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα 2.3.2.
Σε αυτή τη μέθοδο χρησιμοποιούνται αναδυόμενα μακροφυτά που αναπτύσσονται πάνω σε πλωτό πλέγμα (Tanner and Headley, 2011).
Το κύριο πλεονέκτημα τους είναι η ικανότητά τους να αντιμετωπίζουν με ευκολία την μεταβολή της στάθμης του νερού.
Σχήμα 2.3.2: Γραφική σχεδίαση μεθόδου τεχνητού υγροτόπου κατακόρυφης ροής (VFTW) και πλωτής κλίνης (FTW).
2.3.3 Τεχνητοί υγρότοποι με οριζόντια υπο-επιφανειακή ροή
Στους τεχνητούς υγροτόπους με οριζόντια υπο-επιφανειακή ροή (HF), τα λύματα ρέουν αργά διαμέσου του πορώδους κάτω από την επιφάνεια της κλίνης σε όσον το δυνατόν οριζόντια διαδρομή προς την έξοδο. Τα λύματα έρχονται σε επαφή με τις ζώνες των αερόβιων, ανοξικών και αναερόβιων.
Διπλωματική Εργασία
Οι αερόβιες ζώνες υπάρχουν κοντά στα ριζώματα που διαρρέουν οξυγόνο στο υπόστρωμα ( Cooper et al., 1996).
Στους τεχνητούς υγροτόπους με οριζόντια υπο-επιφανειακή ροή , η οργανική ύλη αποσυντίθεται σε αναερόβιες και σε αερόβιες μικροβιακές διεργασίες ,όπως επίσης και με διήθηση ή καθίζηση της σωματιδιακής οργανικής ύλης.
Οι αναερόβιες διεργασίες επικρατούν λόγω της συνεχούς κορεσμού του στρώματος διήθησης.
Ένας από τους κυριότερους μηχανισμούς απομάκρυνσης για τα αιωρούμενα στερεά είναι η καθίζηση των κολλοειδών, η κροκίδωση, ή η τάνυση.
Η αφαίρεση του αζώτου ,στα συγκεκριμένα συστήματα, πραγματοποιείται με νιτροποίηση ή απονιτροποίηση.
Η νιτροποίηση δεν είναι κατάλληλη για τον συγκεκριμένο σκοπό λόγω της απουσία οξυγόνου. Ενώ η διαδικασία της απονιτροποίησης καθίσταται κατάλληλη λόγω των αναερόβιων συνθηκών που επικρατούν.
Ο φώσφορος αφαιρείται μέσω καθίζησης και προσρόφησης. Ως υλικό διήθησης χρησιμοποιείται κυρίως το χαλίκι, αλλά δεν παρέχει υψηλή απορροφητική ικανότητα. Είναι αναγκαία η επιλογή κατάλληλων υλικών με υψηλή ικανότητα προσρόφησης, με σκοπό να ενισχυθεί η απομάκρυνση του φωσφόρου. Η ικανότητα προσρόφησης εξαρτάται από φυσικές και χημικές ιδιότητες και τέτοια υλικά συνήθως περιλαμβάνουν Fe ή Al.
Τα φυτά που χρησιμοποιούνται στην συγκεκριμένη μέθοδο πρέπει να έχουν ισχυρά ριζώματα, να είναι ανεκτικά σε υψηλά φορτία οργανικών και θρεπτικών. Επίσης προϋπόθεση είναι να έχουν υψηλή υπερκείμενη βιομάζας (Kvet et al., 1999).
2.3.4 Υβριδικοί τεχνητοί υγρότοποι
Αποτελεί το σύστημα όπου συνδυάζονται το σύστημα κατακόρυφης ροής με ο σύστημα οριζόντιας επιφανειακής ροής. Στόχος του συγκεκριμένου συστήματος είναι να επιτευχθεί όσο το δυνατόν υψηλότερη δράση επεξεργασίας και ειδικότερα του αζώτου.
Τα συστήματα κατακόρυφης ροής έχουν μεγαλύτερη ικανότητα μεταφοράς οξυγόνου με αποτέλεσμα να παρέχουν καλύτερες συνθήκες για νιτροποίηση από τα συστήματα οριζόντιας ροής. Παρατηρείται όμως ότι η απονιτροποίηση που επιτυγχάνεται είναι σε πολύ περιορισμένα επίπεδα. (Vymazal, 2007).
Τα υβριδικά συστήματα εκμεταλλεύονται τα πλεονεκτήματα των διάφορων συστημάτων για να συνδυαστούν κατάλληλα για την καλύτερη λειτουργία.
Ο συνδυασμός τεχνητού υγροτόπου κατακόρυφης ροής με τεχνητό υγρότοπο οριζόντιας ροής αποτελούν έναν αρκετά αποτελεσματικό τρόπο για την αφαίρεση οργανικών ουσιών και αιωρούμενων στερεών ,ενώ παρατηρείται ότι η αφαίρεση φωσφόρου κυμαίνεται σε χαμηλά επίπεδα.
Στο πρώτο στάδιο του συγκεκριμένου συστήματος επικρατούν αερόβιες συνθήκες για νιτροποίηση ενώ στο δεύτερο στάδιο επικρατούν αναερόβιες συνθήκες για απονιτροποίηση.
Ο συνδυασμός τεχνητού υγροτόπου οριζόντιας ροής με κατακόρυφης ροής επιτυγχάνουν καλή επίδοση στην απομάκρυνση οργανικών , ενώ για την αφαίρεση αζώτου πρέπει να ανακτηθεί σε δεξαμενή καθίζησης.
2.4 Τα χαρακτηριστικά ροής των υγροτόπων
Ο έλεγχος στην συμπεριφορά του ύδατος που εισέρχεται στους τεχνητούς υγροτόπους καθίσταται σημαντικό για την μακροπρόθεσμη καλή λειτουργία τους.
Η ροή στους υγροτόπους ελέγχεται από ορισμένα χαρακτηριστικά όπως:
από την ταχύτητα. Η ταχύτητα ελέγχεται από την σωστή επιλογή κλίσης που παρέχει επαρκή υδραυλική κλίση στον υγρότοπο με σκοπό να επιτευχθεί η επιθυμητή ταχύτητα. Ένα ακόμα χαρακτηριστικό είναι ο χρόνος παραμονής.
Ο χρόνος παραμονής αφορά τον χρόνο που χρειάζεται μια μονάδα όγκου νερού από την είσοδο ως την έξοδο του υγροτόπου. Καθορίζεται από το βάθος, το μέγεθος και τη διαδρομή μέσα σε αυτόν. Επίσης ένα άλλο χαρακτηριστικό αποτελεί το βάθος ροής.
Διπλωματική Εργασία
Το βάθος ροής που θα επιλέγεται πρέπει να παρέχει επαρκεί χώρο και κατάλληλες συνθήκες για τα φυτά του υγροτόπου. Επίσης η διαδρομή αποτελεί ένα ακόμη χαρακτηριστικό.
Η παροχή κατάλληλου λόγου μήκους προς το πλάτος θα είναι ικανό να αποτρέψει τυχόν βραχυκύκλωμα στο σύστημα. Τέλος η υδρολογική ισορροπία αποτελεί κύριο χαρακτηριστικό της ροής. Θα πρέπει από τον σχεδιασμό να καθοριστούν πηγές που μπορεί να προκύψουν στον υγρότοπο.
Σημαντικό στοιχείο είναι να καθοριστούν η συμβολή που θα έχουν η εξατμισοδιαπνοή και οι βροχοπτώσεις στους υγροτόπους.
2.5 Βλάστηση στους υγροτόπους
Χιλιάδες φυτά αναπτύσσονται μέσα στο νερό είτε σε μόνιμα είτε σε περιοδικά πλημμυρισμένα εδάφη όπως για παράδειγμα σε υγροτόπους.
Οι αλληλεπιδράσεις του υποστρώματος και της υδρολογίας των υγροτόπων επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό την βλάστηση. Η δυσκολία που παρουσιάζεται στα φυτά των υγροτόπων είναι κυρίως η έλλειψη οξυγόνου λόγω δύσκολων συνθηκών. Τα φυτά στους υγροτόπους παρουσιάζουν μεγάλη ποικιλία σε φυσιολογικές προσαρμογές και μορφολογικές και στη συμπεριφορά τους στην υδάτωση ή στην πλημμύρα (Brändle et al., 1996).
Το κύριο χαρακτηριστικό των φυτών στους υγροτόπους είναι η παρουσία και ανάπτυξη αεραγωγών σε διάφορα μέρη του φύλλου ,των ριζών ή των στελεχών. Τα μακρόφυτα που αναπτύσσονται στους τεχνητούς υγροτόπους έχουν πολλές ιδιότητες που σχετίζονται με τη διαδικασία επεξεργασίας των υδάτων και για αυτό καθίστανται βασικό στοιχείο για τον σχεδιασμό τους.
Οι ρίζες στα μακροφυτά βοηθούν στην πρόληψη της απόφραξης του μέσου. Ο φυτικός ιστός στο νερό απελευθερώνει οξυγόνο για φωτοσύνθεση. Ο αεροβιακός φυτικός ιστός αποθηκεύει τις θρεπτικές ουσίες (Brix, 1997).
Η επιλογή των διάφορων ειδών που θα χρησιμοποιηθούν είναι ένας πολύ σημαντικός παράγοντας.
Το κάθε είδος έχει και διαφορετικές ικανότητες στην πρόσληψη των θρεπτικών και στην συσσώρευση των βαρέων μετάλλων (Tanner et al., 1995).
Ο τύπος της βλάστησης επηρεάζει σημαντικά την απομάκρυνση του αζώτου και της οργανικής ύλης.
Για την επιλογή των ειδών σε έναν υγρότοπο καθίσταται σημαντικό να είναι γνωστά τα στοιχεία όπως η συχνότητα, η διάρκεια, η εποχικότητα και το βάθος των τυχόν πλημμύρων διότι το κάθε είδος αντέχει διαφορετικές συνθήκες πλημμύρας. Επίσης πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η ποιότητα των υδάτων που θα λαμβάνει, διότι τα φυτά διαφέρουν ως προς την ανοχή στην ρύπανση των υδάτων.
Για την επεξεργασία λυμάτων πρέπει τα φυτά να είναι πλούσια σε υπόγεια όργανα δηλαδή σε ρίζες με σκοπό να παρέχουν υπόστρωμα για οξυγόνωση των περιοχών καθώς και να απομακρύνουν τα θρεπτικά συστατικά μέσω της συγκομιδής (Kvet et al., 1999).
Οι ιτιές χρησιμοποιούνται αποτελεσματικά κυρίως σε επεξεργασία των στραγγισμάτων από χώρους υγειονομικής ταφής και για γεωργικές απορροές (Duggan, 2005). Έχουν μεγάλη επιτυχία στην απομάκρυνση υψηλών επιπέδων αζώτου και αμμωνίας από το διάλυμα.
Τα καλάμια είναι ανθεκτικά στην υψηλή αλατότητα ενώ ταυτόχρονα παρέχουν υψηλά απομάκρυνσης των θρεπτικών στοιχείων (Lu and Huang, 2010).
2.6 Προεπεξεργασία και υπόστρωμα τεχνητού υγροτόπου
Στους τεχνητούς υγροτόπους υπάρχει η δυνατότητα χρήσης τεχνολογιών προεπεξεργασίας με σκοπό να μειωθεί το οργανικό φορτίο κατά την είσοδο (Álvarez et al., 2008 ). Οι δεξαμενές Imhoff και Septic είναι κατάλληλες για την απομάκρυνση των ολικών αιωρούμενων στερεών καθώς και για την σταθεροποίηση της ιλύος με αναερόβια χώνευση. Η φυσικοχημική προεπεξεργασία συνδυάζει την κροκίδωση και την πήξη με διαχωρισμό των στερεών.
Διπλωματική Εργασία
Η συγκεκριμένη μέθοδος είναι περιορισμένη λόγω κόστους και απαιτούμενης ενέργειας. Οι αναερόβιοι χωνευτήρες αποτελούν έναν ακόμη εναλλακτικό τρόπο προεπεξεργασίας για τους τεχνητούς υγροτόπους
Ως υπόστρωμα στους τεχνητούς υγροτόπους μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφορα υλικά όπως χαλίκι , άμμος ,ασβεστόλιθος ή ζεόλιθος (Vohla et al., 2011). Ο ζεόλιθος αποδείχθηκε κατάλληλο για βακτήρια οξείδωσης αμμωνίας λόγω του υψηλού πορώδους του και της αντοχής του σε υψηλές θερμοκρασίες. Επίσης τα αργιλικά συσσωματώματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν λόγω της ειδικής επιφάνειάς τους και του πορώδους τους.
Το αργίλιο θεωρείται επίσης ένα υποπροϊόν που έχει εξαιρετική δραστική επιφάνεια που προσροφά αποτελεσματικά το φώσφορο (Saeed and Sun, 2012).
2.7 Θερμοκρασία και ρΗ στους τεχνητούς υγροτόπους
Η ανάπτυξη των μικροβίων συνδέονται στενά με τη θερμοκρασία. Οι αρκετά υψηλές θερμοκρασίες οδηγούν σε υψηλότερες βιολογικές δραστηριότητες και ρυθμούς ανάπτυξης.
Οι χαμηλές θερμοκρασίες περιορίζουν την βιολογική δραστηριότητα και οδηγούν σε συσσώρευση οργανικής ύλης στους τεχνητούς υγροτόπους (Faulwetter et al., 2009). Το COD και το BOD δεν επηρεάζονται από οποιαδήποτε θερμοκρασία.
Η βέλτιστη θερμοκρασία για την νιτροποίηση καθίστανται οι 28-36 βαθμοί Κελσίου. Όταν η θερμοκρασία κυμαίνεται περίπου στου 10 βαθμούς Κελσίου ,η δραστηριότητα της νιτροποίησης αναστέλλεται. Η απονιτροποίηση ενισχύεται σε θερμοκρασίες μέχρι 75 περίπου βαθμούς Κελσίου. Οι μικροβιακές διεργασίες επηρεάζουν στο ρΗ και είναι ευαίσθητες.
Το ιδανικό ρΗ για τα βακτήρια κυμαίνεται στο 6,5-7,5 στο σχηματισμό μεθανίου και στο 7-8 στο σχηματισμό βακτηρίων νιτροποίησης (Saeed and Sun, 2012 ). Σε επίπεδα 5-4 η δραστικότητα γίνεται πιο αργή.
2.8 Επαναχρησιμοποίηση υδάτων στους τεχνητούς υγροτόπους
Η αυξανόμενη λειψυδρία οδήγησε σε παρακίνηση για έρευνα για εναλλακτικές στρατηγικές για επαναχρησιμοποίηση των υδάτων (NAS, 2016).
Τα απόβλητα που παράγονται από νοικοκυριά και κτήρια ,δίχως τα νερά τουαλέτας, μπορούν εύκολα να επεξεργαστούν και να επαναχρησιμοποιηθούν λόγο ότι μεταφέρουν λιγότερα οργανικά και παθογόνα.
Οι τεχνητοί υγρότοποι προτείνεται ως μια ενεργειακά αποδοτική λύση και οικονομική για την επεξεργασία και την επαναχρησιμοποίησης των αποβλήτων αυτών (Vymazal, 2009). Η επαναχρησιμοποίηση των υδάτων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οικιακή χρήση, για γεωργική χρήση, ή σε εμπορική κλίμακα. Μεγάλη ανησυχία αποτελεί η ικανότητα των λυμάτων να πληρούν τα πρότυπα για επαναχρησιμοποίηση,
αποφεύγοντας τον κίνδυνος για την υγεία των ανθρώπων. Η συγκεκριμένη τεχνολογία είναι κατάλληλη για την απομάκρυνση των παθογόνων ,με ποσοστά απομάκρυνσης περίπου στο 95% (QDNR, 2000). Οι τεχνητοί υγρότοποι σε συνδυασμό με διαδικασίες απολύμανσης ,όπως η απολύμανση με υπεριώδη ακτίνες ή με χλώριο ,είναι πιθανόν να επεξεργαστούν αποτελεσματικά τα απόβλητα ,ώστε να είναι κατάλληλα για επαναχρησιμοποίηση.
2.9 Οικονομικό πλαίσιο τεχνητού υγροτόπου
Οι τεχνητοί υγρότοποι αποτελούν μια οικονομικά εφικτή λύση για επεξεργασία λυμάτων μικρής κλίμακας. Το λειτουργικό κόστος και το κόστος συντήρησης τους συγκρίνονται ευνοϊκά σε σχέση με μηχανικές εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων (Wu et al., 2014).
Βασιζόμενοι σε αξιολόγηση κύκλου ζωής, εκτιμάται ότι η εξοικονόμηση του κόστους κεφαλαίου φθάνει το 50% και το κόστος λειτουργίας και συντήρησης των συστημάτων το 90% σε σχέση πάντα με τους μηχανικούς τρόπους επεξεργασίας.
Διπλωματική Εργασία
Η εκτίμηση αυτή προϋποθέτει ότι η απαιτούμενη γη διατέθηκε σε λογική τιμή αγοράς και γενικότερα ότι οι συμφωνίες για μίσθωση ήταν σε λογικά πλαίσια.
Το συνολικό κόστος ενός ολόκληρου οικοσυστήματος που αποτελείται από λίμνες, υπολογίζεται ότι είναι το μισό του κόστους ενός συμβατικού συστήματος που βασίζεται στη ενεργοποιημένη ιλύς (Wang et al., 2006a).
Επίσης το κόστος κατασκευής , λειτουργίας και συντήρησης υπολογίστηκε ότι είναι το ένα πέμπτου ενός συμβατικού συστήματος.
Τα οικονομικά στοιχεία ενός τεχνητού υγροτόπου ,στην περιοχή της Ιρλανδίας, παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα 2.9. Τα κόστη αφορούν την έρευνα ,την αγορά της έκτασης και άλλα. Συνολικά βλέπουμε ότι το κόστος ανήλθε στα 770000 ευρώ.
Η συνολική έκταση του έργου ήταν σχεδόν 7 εκτάρια ,ενώ η επιφάνεια του νερού καλύπτει τα 3,25 εκτάρια δεν πραγματοποιείται καμία είδος προεπεξεργασία. Ο πληθυσμός που θα εξυπηρετούσε αφορά περίπου 2500 κατοίκους (Doody et al., 2009).
Κατά την διάρκεια λειτουργίας του υγροτόπου υπάρχουν ορισμένα έξοδα. Τα έξοδα αυτά αφορούν τα έξοδα συντήρησης, τα έξοδα διαχείρισης και διάθεσης ιλύος ,της κατανάλωσης ενέργειας και χρεώσεις.
Επίσης τα έξοδα αφορούν την συμμόρφωση και την παρακολούθηση των επιδόσεων. Τέλος συμπεριλαμβάνονται τα κόστη των αναλωσίμων, των φίλτρων κλπ.
Πίνακας 2.9: Συνολικά κόστη υγροτόπου.
Συνολικά κόστη τεχνητού υγροτόπου στην Γλασκώβη
Εργασία Κόστη σε Ευρώ
Μίσθωση γης 233000
Προκαταρκτικές εργασίες (καθαρισμός περιοχής,
αεροφωτογραφίες, έρευνα ιστοτόπου)
27000
Χωματουργικά, σωληνώσεις, φύτευση βλάστησης
206000
Μονοπάτια 115000
Πεζογέφυρες 35000
Αγωγός επικοινωνίας, φρεάτια 48000
Ευρυζωνική σύνδεση 4000
Λυσσίμετρα 3000
Δειγματολήπτες και Μαγνήτες Siemens
90000
Μετεωρολογικοί σταθμοί 2000
Πινακίδες 3000
Πιεζόμετρα 4000
Συνολικά κόστη 770000
2.10 Βιομηχανικά λύματα στους τεχνητούς υγροτόπους
Ο τεχνητός υγρότοπος δεν χρησιμοποιείται αποκλειστικά και μόνο για επεξεργασία οικιακών λυμάτων αλλά χρησιμοποιείται και για γεωργική ρύπανση ή για βιομηχανικά λύματα όπως από διύλιση πετρελαίου ή από υδατοκαλλιέργεια (Liang et al., 2014).
Η σύσταση των βιομηχανικών λυμάτων διαφέρει σε μεγάλο βαθμό από τη σύνθεση των οικιακών λυμάτων.
Στα βιομηχανικά λύματα οι συγκεντρώσεις των αιωρούμενων στερεών ή των οργανικών κυμαίνονται σε υψηλά επίπεδα. Αυτό έχει συνέπεια ,η χρήση των τεχνητών υγροτόπων, να απαιτεί ένα είδος προεπεξεργασίας.
Ο λόγος BOD/COD είναι μια σημαντική παράμετρος που δείχνει τον βαθμό βιοαποικοδομησιμότητας. Αν ο λόγος είναι μεγαλύτερος από 0,5 τότε είναι εύκολα βιοαποικοδομήσιμα όπως τα λύματα από σφαγεία, ζυθοποιείες ή και βιομηχανίες τροφίμων. Για τα λύματα αυτός ο λόγος κυμαίνεται στο 0,6-0,8.
Λύματα που έχουν χαμηλό λόγο εκφράζουν και χαμηλά επίπεδα βιοαποικοδομησιμότητας όπως είναι τα λύματα χαρτιού ή πολτού.
Τα διυλιστήρια πετρελαίου παράγουν απόβλητα από διάφορες διεργασίες όπως από την διαδικασία πυρόλυσης.
Τα λύματα αυτά περιέχουν ποσότητες από οργανικά, λίπη, αιωρούμενα στερεά ή και βαρέα μέταλλα (Kadlec and Knight, 1996).
Τα παραδείγματα των τεχνητών υγροτόπων σε τέτοιου είδους λύματα δείχνουν ότι τα αποτελέσματα τους ήταν πολύ ικανοποιητικά. Πιο
Διπλωματική Εργασία
αποτελούταν από 11 λίμνες, επεξεργαζόταν λύματα πετρελαίου και τα αποτελέσματα που πέτυχε ήταν απομάκρυνση BOD 98% ,COD 93% , αμμ