Επίδραση εναλλακτικών σχημάτων επεξεργασίας στα χαρακτηριστικά καθίζησης συστημάτων ενεργού ιλύος με απομάκρυνση θρεπτικών

Abstract

Το σύστημα ενεργού ιλύος είναι το πιο διαδεδομένο και αποτελεσματικό σύστημα βιολογικής επεξεργασίας υγρών αποβλήτων. Προτάθηκε και εφαρμόστηκε αρχικά από τους Ardem και Lockett το 1914, με την εισαγωγή της επανακυκλοφορίας του αιωρήματος, το οποίο σχηματίζεται κατά τον αερόβιο μεταβολισμό μέσα στους βιοαντιδραστήρες. Η εκτεταμένη ανάπτυξη και εφαρμογή του συστήματος ενεργού ιλύος ως αερόβια και μόνο διεργασία, οφείλεται στην οικονομία του και στην εξασφάλιση εκροής υψηλής ποιότητας, κυρίως όσον αφορά τη νιτροποίηση, σε σύγκριση με τα βιολογικά φίλτρα. Οι πρώτες εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων που δημιουργήθηκαν στη Μ. Βρετανία λειτούργησαν σαν συστήματα διακοπτόμενης ροής (fill-and-draw, batch systems), λόγω κυρίως των υψηλότερων ταχυτήτων κατανάλωσης του οργανικού φορτίου που παρουσιάζουν τέτοια σχήματα συγκριτικά με συστήματα πλήρους μίξης (Levenspiel 1962). Πολύ γρήγορα όμως τόσο στις ΗΠΑ όσο και στη Μ. Βρετανία υιοθετήθηκε η λογική της συνεχούς τροφοδότησης των συστημάτων ενεργού ιλύος, λόγω κυρίως της ικανότητας αυτών των σχημάτων να αντιμετωπίζουν μεγαλύτερα φορτία αλλά και της αποφυγής προβλημάτων, όπως η έμφραξη των διαχυτών κατά την φάση της καθίζησης του ανάμικτου υγρού και η ιδιαίτερα δυσχερής λειτουργία των συστημάτων διακοπτόμενης ροής, κυρίως κατά την εναλλαγή των λειτουργικών κύκλων. Μέχρι τη δεκαετία του 1950 τα περισσότερα συστήματα σχεδιάζονταν με προσέγγιση εμβολοειδούς ροής, δηλαδή με τη λειτουργία δεξαμενών με πολύ μεγάλο λόγο μήκους προς πλάτος. Από τη δεκαετία του 1950 και μετά επικράτησε η υιοθέτηση καθεστώτος πλήρους μίξης στους βιοαντιδραστήρες. Έτσι ο υδραυλικός χρόνος παραμονής είναι πολύ μικρότερος από το μέσο χρόνο παραμονής των σωματιδίων. Η επικράτηση των αντιδραστήρων πλήρους μίξης οφείλεται στην καλύτερη ανταπόκρισή τους σε απότομες αυξήσεις της οργανικής φόρτισης, καθώς και στην διάσπαση τοξικών ρύπων σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις. Πλήρους μίξης αντιδραστήρες σε συστήματα ενεργού ιλύος συνεχούς ροής χρησιμοποιήθηκαν αρχικά στη Σοβιετική Ένωση για την επεξεργασία βιομηχανικών λυμάτων τα οποία περιείχαν ιδιαίτερα τοξικές, σε μεγάλες συγκεντρώσεις, βιοδιασπάσιμες οργανικές ύλες (φαινόλες). Το σημαντικότερο κεφάλαιο στην ιστορική εξέλιξη του σχεδιασμού συστημάτων επεξεργασίας λυμάτων υπήρξε η χρήση ανοξικών και αναερόβιων αντιδραστήρων για την βιολογική απομάκρυνση των θρεπτικών αζώτου και φωσφόρου χωρίς τη χρήση χημικών. Πρώτος ο Wuhrmann το 1957 πρότεινε την προσθήκη μίας ανοξικής δεξαμενής μετά την αερόβια και πριν από τη δεξαμενή καθίζησης για την απομάκρυνση του αζώτου. Το πρόβλημα που ενέκυψε λόγω των χαμηλών ρυθμών απονιτροποίησης στην ανοξική ζώνη και της συνεπαγόμενης απαίτησης για προσθήκη οργανικού άνθρακα (συνήθως μεθανόλης) στο ανοξικό τμήμα, οδήγησε στην απόρριψη αυτής της λύσης. Λίγα χρόνια αργότερα οι Ettinger και Ludzack έλυσαν το πρόβλημα που είχε δημιουργηθεί με την τοποθέτηση της ανοξικής ζώνης πριν από την αερόβια και με την επανακυκλοφορία των δημιουργούμενων νιτρικών εσωτερικά από την αερόβια στην ανοξική ζώνη. Το 1965 οι Levin και Shapiro αναφέρουν ότι, κάτω από ορισμένες συνθήκες, είναι δυνατή η απομάκρυνση με την περίσσεια ιλύ φωσφόρου σε ποσοστό πολύ μεγαλύτερο από αυτό που είναι απαραίτητο για σύνθεση (2%). Μετά από δέκα χρόνια οι Fuhs και Chen απομονώνουν ένα μικροοργανισμό με την ονομασία Acinetobacter sp. στον οποίο αποδίδουν και την αυξημένη βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου (Enhanced Biological Phosphorus Removal - EBPR). Η ανάπτυξη και εφαρμογή συστημάτων επεξεργασίας λυμάτων με απομάκρυνση αζώτου και φωσφόρου ταυτόχρονα, υλοποιήθηκε, καταρχήν, με την προσθήκη άλλη μίας ανοξικής - αερόβιας διαδοχής αντιδραστήρων στο σχήμα των Ettinger και Ludzack. Με το σχήμα αυτό (Bardenpho) ο Barnard το 1975 έδειξε ότι επιτυγχάνεται όχι μόνο απομάκρυνση αζώτου αλλά και φωσφόρου. Η απομάκρυνση φωσφόρου βελτιστοποιήθηκε με την τοποθέτηση μίας αναερόβιας δεξαμενής πριν από τη διαδοχή ανοξικών και αερόβιων δεξαμενών, στην οποία εισέρχονται τόσο τα προς επεξεργασία λύματα όσο και η ανακυκλοφορούμενη ιλύς (σύστημα Phoredox). Ένα μεγάλο τμήμα της έρευνας σε συστήματα ενεργού ιλύος στη δεκαετία του 1980 ασχολήθηκε με την διερεύνηση των περιβαλλοντικών εκείνων συνθηκών και των κλασμάτων του οργανικού άνθρακα που ευνοούν την ανάπτυξη των βακτηριδίων τα οποία είναι υπεύθυνα για τις διεργασίες που σχετίζονται με την απομάκρυνση της οργανικής ύλης, του αζώτου και του φωσφόρου (νιτροποιητές, ετεροτροφικοί απονιτροποιητές και πολυφωσφορικά βακτηρίδια). Έτσι, έχουμε φτάσει πλέον στο σημείο να θεωρείται απόλυτα πραγματοποιήσιμη μία εκροή με τιμές BOD5 μικρότερες από 5 mg/1 και αμμωνιακού αζώτου και ολικού φωσφόρου μικρότερες από 1 mg/1. Ταυτόχρονα, όμως, με την ανάπτυξη αυτών των μικροοργανισμών, οι αναγκαίες αυτές περιβαλλοντικές συνθήκες που επιβάλλονται σε ένα σύστημα ενεργού ιλύος, είναι δυνατόν να ευνοήσουν και την ανάπτυξη άλλων μικροοργανισμών οι οποίοι, κάτω από ορισμένες προϋποθέσεις, μπορεί να δράσουν ανασταλτικά στην εύρυθμη λειτουργία της εγκατάστασης. Ειδικότερα, η υπερβολική ανάπτυξη μίας ομάδος βακτηριδίων που ονομάζονται νηματοειδή (filamentous bacteria) είναι πιθανόν να δημιουργήσει μεγάλα λειτουργικά προβλήματα σε συστήματα ενεργού ιλύος, αναφορικά με την καθιζησιμότητα και τη δημιουργία βιολογικού αφρού. Το σημαντικότερο από αυτά τα προβλήματα είναι αυτό της διόγκωσης της ιλύος, της παραγωγής δηλαδή ιλύος η οποία καθιζάνει με αργούς ρυθμούς και παρουσιάζει μικρή συμπύκνωση. Πολύ συχνά, όμως, παράλληλα με το φαινόμενο της διόγκωσης της ιλύος παρουσιάζεται και το εξίσου σημαντικό πρόβλημα του σχηματισμού ενός μεγάλου στρώματος βιολογικά δημιουργούμενου αφρού στην επιφάνεια των δεξαμενών αερισμού. Τα δύο αυτά φαινόμενα αποτελούν και τα σημαντικότερα προβλήματα που αντιμετωπίζει ένα πολύ μεγάλο ποσοστό των εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων παγκοσμίως (40-50%). Κύριος στόχος της διδακτορικής διατριβής ήταν η διερεύνηση εναλλακτικών σχημάτων επεξεργασίας, έτσι ώστε να επιτευχθεί ο έλεγχος της ανάπτυξης μίας συγκεκριμένης κατηγορίας νηματοειδών βακτηριδίων (νηματοειδή βακτηρίδια χαμηλής οργανικής φόρτισης - low F/M filaments), τα οποία είναι υπεύθυνα για τη δημιουργία των φαινομένων της νηματοειδούς διόγκωσης και αφρισμού σε συστήματα παρατεταμένου αερισμού. Για να επιτευχθεί αυτό, κρίθηκε σκόπιμο να προηγηθεί αφενός η καταγραφή των προβλημάτων καθιζησιμότητας σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων στην Ελλάδα και στη συνέχεια η πειραματική διερεύνηση των παραγόντων οι οποίοι σχετίζονται με την ανάπτυξη των νηματοειδών αυτών μικροοργανισμών. […]