Συμβολή στην προσομοίωση ποιοτικών και υδροδυναμικών χαρακτηριστικών λιμνών σταθεροποίησης στη βόρεια Ελλάδα: το παράδειγμα του Βαμβακόφυτου, του Ν. Σκοπού και του Χαρωπού

Abstract

The aim of the present PhD Thesis is the investigation of the operation of three Waste Stabilization Pond systems in North Greece, at Vamvakofito, N. Skopos and Charopo of the Prefecture of Serres, the study of their qualitative characteristics, their modeling and the simulation of their hydrodynamic characteristics with a 3D hydrodynamic model. Samples were taken from the inflow of the first facultative pond and the outflow of the last maturation pond from 2005 until 2012. The parameters that were measured are: temperature (water and air), TSS, BOD5, COD, TN, N-NH4+, N-NO3-, TP, FC, TC, DO, pH and 72 more chemical elements and heavy metals.Significant differences were noticed among the systems concerning their concentrations and their efficiencies, as the whole experiment took place under real and not controlled conditions. The three systems displayed stable operation, with low standard deviations and very satisfactory correlations between influent – effluent mass. Mass efficiencies were almost identical to concentration efficiencies. This was not so during summer months, when there was a drop in mass efficiencies, caused by the intense evapotranspiration, due to increased sunshine and high temperatures. The Dissolved Oxygen values ranged at the same levels, while the pH values never exceeded the permissible limit. The Sodium Adsorption Ratio (SAR) and the Electrical Conductivity values rank the ponds’ water in class I, where the danger of sodium is small. The majority of the chemical elements that were analyzed presented stability at their concentrations, with the exception of Al, Cu, Μn, Pb and Zn. The concentrations remained in every case under the prescribed limits, even for discharge to sensitive receivers. The elements that presented the higher concentrations are Ca>Na>Mg>Cl>Si>K >>>P>S. The heavy metals’ removal process didn’t show any stability. Among the heavy metals that are usually examined at wastewater, Cd didn’t exceed the traceability limits, while the efficiencies of Zn, Cu and Pb removal achieved 77%, 92% and 86% respectively. The decay constant k20 was calculated for the compounds of carbon (BOD) and the compounds of nitrogen (NOD) of the raw wastewater, with mean values 0,427d-1 and 0,247d-1 respectively. The complete mix first order reaction rate constant kT (m/d) was calculated for the decomposition rate of TSS, BOD, COD, TN, N-NH4+, N-NO3-, TP and FC, with mean values 0,041, 0,032, 0,032, 0,036, 0,031, 0,006, 0,015 and 0,079m/d respectively. Equations were performed correlating the outflow concentration with the inflow concentration, in a better approach compared to other researchers’ equations, with the exception of TN and N-NH4+. A mathematical relationship was derived, correlating the annual sludge accumulation with the mean annual TSS and BOD concentration. The annual sludge accumulation rate was similar for the three systems (≈0,10m3/p/y).The hydrodynamic characteristics that were examined by simulation with the 3D hydrodynamic model ELCOM are temperature, HRT and flow speed at Vamvakofito’s system. The calibration of the model was very satisfactory, proving that the model satisfactory reproduces the values of the field measurements.

Σκοπός της διατριβής είναι η διερεύνηση της λειτουργίας τριών Συστημάτων Λιμνών Σταθεροποίησης της Βορείου Ελλάδος, στο Βαμβακόφυτο, το Ν. Σκοπό και το Χαρωπό του Ν. Σερρών, η μελέτη των ποιοτικών τους χαρακτηριστικών, η μοντελοποίησή τους και η προσομοίωση των υδροδυναμικών τους χαρακτηριστικών με τρισδιάστατο υδροδυναμικό μοντέλο.Δειγματοληψίες πραγματοποιήθηκαν στα σημεία εισόδου της επαμφοτερίζουσας λίμνης και εξόδου της τελευταίας λίμνης ωρίμανσης από το 2005 έως και το 2012. Οι παράμετροι που μετρήθηκαν ήταν: θερμοκρασία (νερού και αέρα), TSS, BOD5, COD, TN, N-NH4+, N-NO3-, TP, FC, TC, DO, pH και 72 ακόμα χημικά στοιχεία και βαρέα μέταλλα.Οι συγκεντρώσεις και οι αποδόσεις των συστημάτων παρουσίασαν σημαντικές διαφοροποιήσεις μεταξύ τους, καθώς το όλο πείραμα διεξήχθη κάτω από πραγματικές και όχι ελεγχόμενες συνθήκες. Τα συστήματα παρουσίασαν σταθερή λειτουργία, με χαμηλές σταθερές αποκλίσεις και ιδιαίτερα ικανοποιητικές συσχετίσεις μάζας εισόδου – εξόδου. Οι αποδόσεις μάζας σχεδόν ταυτιζόταν με τις αποδόσεις συγκέντρωσης. Τους θερινούς μόνο μήνες σημειώθηκε μείωση των αποδόσεων μάζας, γεγονός που οφείλεται στην έντονη εξατμισοδιαπνοή, λόγω αυξημένης ηλιοφάνειας και υψηλών θερμοκρασιών. Οι τιμές του DO κυμάνθηκαν περίπου στα ίδια επίπεδα, ενώ του pH δεν κυμάνθηκαν ποτέ εκτός του προτεινόμενου εύρους τιμών. Οι τιμές της Προσρόφησης Νατρίου (SAR) και της Ηλεκτρικής Αγωγιμότητας κατατάσσουν τα νερά των συστημάτων στην κατηγορία Ι, όπου ο κίνδυνος νατρίου είναι μικρός. Η πλειοψηφία των χημικών στοιχείων που αναλύθηκαν παρουσίασαν σταθερότητα στις συγκεντρώσεις τους, με εξαίρεση τα Al, Cu, Mn, Pb και Zn. Οι συγκεντρώσεις παρέμειναν σε κάθε περίπτωση κάτω από τα προβλεπόμενα όρια, ακόμη και για διάθεση σε ευαίσθητους αποδέκτες. Τις υψηλότερες συγκεντρώσεις τις παρουσίασαν τα Ca>Na>Mg>Cl>Si>K>>>P>S. Η διαδικασία απομάκρυνσης των βαρέων μετάλλων παρουσίασε αστάθεια. Από τα βαρέα μέταλλα που συνήθως ελέγχονται στα αστικά λύματα, το Cd δεν υπερέβη το ποσοστό ανιχνευσιμότητας, ενώ οι αποδόσεις αφαίρεσης των Zn, Pb και Cu έφτασαν το 77%, 92% και 86% αντίστοιχα.Υπολογίστηκαν οι σταθερές αποσύνθεσης k20 των ενώσεων του άνθρακα (BOD) και των αζωτούχων ενώσεων (ΝOD) των ανεπεξέργαστων λυμάτων, οι οποίες είναι 0,427d-1 και 0,247d-1 αντίστοιχα. Υπολογίστηκαν οι σταθερές κινητικής 1ης τάξης kT για το ρυθμό αποσύνθεσης των TSS, BOD, COD, TN, N-NH4+, N-NO3-, TP και FC, με τιμές 0,041, 0,032, 0,032, 0,036, 0,031, 0,006, 0,015 και 0,079m/d αντίστοιχα. Προέκυψαν εξισώσεις που συνδέουν τη συγκέντρωση εκροής με τη συγκέντρωση εισροής, με καλύτερη προσέγγιση συγκρινόμενες με αυτές άλλων ερευνητών, με εξαίρεση τα ΤΝ και Ν-ΝΗ4+. Προέκυψε μαθηματική σχέση που συνδέει την ετήσια συσσώρευση ιλύος με τη μέση ετήσια συγκέντρωση TSS και BOD. Ο ετήσιος ρυθμός συσσώρευσης ιλύος ήταν παρόμοιος για τα τρία συστήματα (≈0,10m3/p/y). Τα υδροδυναμικά χαρακτηριστικά που μελετήθηκαν με το τρισδιάστατο υδροδυναμικό μοντέλο ΕLCOM είναι η θερμοκρασία, ο HRT και η ταχύτητα ροής στο σύστημα του Βαμβακοφύτου. Η βαθμονόμηση του μοντέλου ήταν πολύ ικανοποιητική, αποδεικνύοντας πως το μοντέλο αναπαράγει ικανοποιητικά τις τιμές των μετρήσεων πεδίου.