Βελτιστοποίηση των διεργασιών κροκίδωσης, διήθησης και αξιολόγησης της διαχείρισης ιλύος κατά την κατεργασία πόσιμου νερού

Abstract

Water resources are available sources of water, which are useful or potentially useful for human and his economy. "Fresh water" is a renewable resource, but nevertheless the global supply of this clean water is steadily declining. As the provision of safe drinking water for the members of a society is essential, waters regardless of their source must be effectively treated before being made available to consumers. From the existing water treatment methods, each time the most suitable ones are selected and used, depending on the characteristics of the raw water (river, lakes, water wells, sea). These characteristics, however, vary from season to season depending also on the sources, a fact that complicates treatment.The present dissertation, entitled "Optimization of coagulation and filtration processes, and sludge management consideration during drinking water treatment", focuses on two main water treatment processes applied in most refineries in the world, the coagulation-flocculation process and the filtration process. The aim of the work is to, first, understand how these processes work, and then to examine parameters that could optimize them, studying the case of the surface waters of the Glafkos river. Also aims through a phytotoxicity study to optimize the management of produced waste sludge by the treatment of these waters.The use of chemicals (electrolytes -aluminum sulfate, poly-aluminum sulfate- and polyelectrolytes -polyacrylamide-) during the coagulation-flocculation procedure, as a dynamic process that is, affects the alkalinity of water, depends on pH, causes secondary pollution and has cause public health concerns. Thus, this chapter examines three new polyelectrolytes, PDADMAC (PolyDiAllylDiMethylAmmoniumChloride), and natural chitosan and CarboxyMethylInulin. At the same time, the effect of chemicals on the characteristics of water (turbidity, pH, solids, conductivity, hardness, particle size) is studied. Special importance, in order to optimize the process, is given to the study of ζ-potential change, but also to UV254 absorption as indicator of organic compounds present in water. Evaluating the results of the experimental series, it appeared that the coagulants already used have a good performance in removing turbidity, especially in experiments with combined electrolyte-polyelectrolyte application. Very good results were observed from the polymer PDADMAC which gave the best results in small doses and we consider that it should be applied in practice, while the organic natural polymers chitosan and CMI had good results in selected turbidity value ranges and should be further investigated to form a workable proposal for a completely natural water treatment.The evaluation of depth filtration showed that it performs best when the inlet water is well pre-treated by coagulation-sedimentation. The effect of factors such as the turbidity of the input stream and the superficial velocity used was examined in the efficiency of the process, measuring parameters, such as the turbidity and the differential pressure but also the ζ-potential, the conductivity, the particle size distribution, etc. In deep sand filtration experiments it was observed that the surface charge of the grains of the filter greatly affects the process and thus the filtration capacity is a decreasing function of the flow. While, the experimental results for the pressure drop show that it increases with the increase of the flow, which leads to the choice of lower velocity. The results in the experimental series with Ultrafiltration membranes showed that they can easily separate aqueous solutions with low concentrations and yield water with much better quality characteristics (removal of bacteria, particles, etc.), but in medium and large turbidity, over time their permeability is significantly reduced due to fouling. The strictness of drinking water quality regulations, the automated operation and the smaller installation space, counteract any disadvantage of increased operating costs and make it more attractive to produce drinking water. The results of this study can be used in a water treatment plant consideration to replace gravity filters with ultrafiltration units in order to achieve, the reduction of the fixed and operating costs of the sand filtration, and better removal of all particulates are not removed during the coagulation/precipitation process.The operation of water treatment procedures and the choice of treatment chemicals have an impact on the nature and volume of the sludge. To find an environmentally proper and sustainable way to manage it, the sludge was mixed with relatively barren field soil, and then the phytotoxicity of the solid samples in two plant species was studied. To determine the toxic effects on the germination of grass seeds and the growth of young lettuce plants, the effect of three soil cultivations was studied. During the phytotoxic experiments, daily visual observation was made, and experimental measurements were taken (leaf width, leaf length, number of leaves, etc.), in order to finally display the growth progress of the plants. Evaluation of plant cultivation in soil enriched with water refinery waste sludge did not show any phytotoxicity or dormancy of plants and the growth of plant organisms did not show any proportional increase in the concentration of sludge in the soil. Thus, the waste generated by the surface water treatment processes can be utilized as a means of plant growth by supplementing-modifying the proportions of the fine soil of the ground. The result of this way of disposal will be the environmental and sustainable management of the discharged by a water refinery sludge, as well as the development and the utilization of land.

Οι υδάτινοι πόροι είναι διαθέσιμες πηγές νερού, οι οποίες είναι χρήσιμες ή εν δυνάμει χρήσιμες για τον άνθρωπο και την οικονομία του. Το "γλυκό νερό" είναι ένας ανανεώσιμος πόρος, αλλά παρ' όλα αυτά η παγκόσμια προμήθεια αυτού του καθαρού νερού σταθερά μειώνεται. Καθώς λοιπόν η εξασφάλιση ασφαλούς πόσιμου νερού για τα μέλη μιας κοινωνίας είναι απαραίτητη, τα νερά πρέπει να υφίστανται αποτελεσματική κατεργασία πριν τη διάθεσή τους στους καταναλωτές, ανεξάρτητα από την πηγή προέλευσής τους. Από τις μεθόδους επεξεργασίας νερού που υπάρχουν, κάθε φορά επιλέγονται και χρησιμοποιούνται οι καταλληλότερες, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του διαθέσιμου νερού (ποτάμι, λίμνες, γεωτρήσεις, θάλασσα). Τα χαρακτηριστικά αυτά, όμως, μεταβάλλονται από εποχή σε εποχή αλλά κι ανάλογα με τις πηγές προέλευσης γεγονός που δυσχεραίνει την κατεργασία.Η παρούσα διατριβή με τίτλο «Βελτιστοποίηση των διεργασιών κροκίδωσης, διήθησης και αξιολόγηση της διαχείρισης ιλύος κατά την κατεργασία νερού», επικεντρώνεται σε δύο βασικές διεργασίες επεξεργασίας νερού που εφαρμόζονται στα περισσότερα διυλιστήρια στον κόσμο, τη διεργασία θρόμβωσης-κροκίδωσης και τη διεργασία της διήθησης. Η εργασία έχει ως στόχο την κατανόηση αρχικά του τρόπου λειτουργίας των μεθόδων αυτών και έπειτα την εξέταση παραμέτρων που θα μπορούσαν να τις βελτιστοποιήσουν μελετώντας την περίπτωση των επιφανειακών νερών του ποταμού Γλαύκου στην Αχαΐα. Επίσης στοχεύει μέσα από την μελέτη φυτοτοξικότητας, στην βελτιστοποίηση της διαχείρισης της παραγόμενης κατά την κατεργασία των παραπάνω νερών, ιλύος.Η χρήση χημικών (ηλεκτρολυτών -θειικό αργίλιο, θειικό πολυαργίλιο- και πολυηλεκτρολυτών -πολυακριλαμίδιο-) κατά τη διεργασία θρόμβωσης-κροκίδωσης, ως δυναμικό φαινόμενο που είναι, επηρεάζει την αλκαλικότητα του νερού, εξαρτάται από το pΗ, προκαλεί δευτερογενή ρύπανση στα παραγόμενα απόβλητα και έχει προκαλέσει ανησυχίες για τη δημόσια υγεία. Έτσι, στο κεφάλαιο αυτό εξετάζονται τρεις νέοι πολυηλεκτρολύτες, ο συνθετικός PDADMAC (PolyDiAllylDiMethylAmmoniumChloride), και οι φυσικοί χιτοσάνη και ινουλίνη (CarboxyMethylInylin). Παράλληλα, μελετάται η επίδραση των χημικών ουσιών στα χαρακτηριστικά του νερού (θολότητα, pH, στερεά, αγωγιμότητα, σκληρότητα, μέγεθος σωματιδίων). Ειδική σημασία δίνεται στη μελέτη της μεταβολής του δυναμικού ζήτα με σκοπό τη βελτιστοποίηση της διεργασίας, αλλά και της απορρόφησης ακτινοβολίας UV254, δείκτη των οργανικών ενώσεων που υπάρχουν στο νερό. Αξιολογώντας τα αποτελέσματα των πειραματικών σειρών φάνηκε ότι, τα ήδη χρησιμοποιούμενα κροκιδωτικά έχουν καλή απόδοση στην αφαίρεση θολότητας, ειδικά στα πειράματα με συνδυασμένη εφαρμογή ηλεκτρολύτη-πολυηλεκτρολύτη. Πολύ καλά αποτελέσματα παρατηρήθηκαν από το ανόργανο πολυμερές PDADMAC κυρίως σε μικρές δοσολογίες και θεωρούμε ότι πρέπει να εφαρμοσθεί στην πράξη, ενώ τα οργανικά φυσικά πολυμερή chitosan και inullin είχαν καλά αποτελέσματα σε επιλεγμένες περιοχές τιμών θολότητας και πρέπει να διερευνηθούν περαιτέρω για να αποτελέσουν μια εφαρμόσιμη πρόταση για μια εντελώς φυσική κατεργασία νερού.Η αξιολόγηση της διήθησης βαθέως στρώματος έδειξε ότι αυτή παρουσιάζει βέλτιστη απόδοση όταν προηγείται καλή προκατεργασία μέσω θρόμβωσης–καθίζησης. Στην αποτελεσματικότητα της διεργασίας εξετάστηκε η επίδραση παραγόντων όπως η θολότητα του ρεύματος εισόδου και η χρησιμοποιούμενη φαινομενική ταχύτητα, μετρώντας παραμέτρους όπως η θολότητα και η διαφορά πίεσης, αλλά και το δυναμικό-ζ, η αγωγιμότητα, το μέγεθος των σωματιδίων, κ.λπ. Στα πειράματα διήθησης με βαθύ στρώμα άμμου παρατηρήθηκε ότι η επιφανειακή φόρτιση του φίλτρου επιδρά σε μεγάλο βαθμό στη διεργασία και έτσι η ικανότητα διήθησης είναι φθίνουσα συνάρτηση της παροχής. Ενώ από τα πειραματικά αποτελέσματα για την πτώση πίεσης προκύπτει ότι αυτή αυξάνει με την αύξηση της παροχής, γεγονός που οδηγεί στην επιλογή μικρότερων ταχυτήτων διήθησης. Τα αποτελέσματα στις πειραματικές σειρές με μεμβράνες υπερδιήθησης έδειξαν ότι αυτές μπορούν άνετα να διαχωρίσουν υδατικά διαλύματα με μικρές συγκεντρώσεις και να αποδώσουν νερό με πολύ καλύτερα ποιοτικά χαρακτηριστικά (αφαίρεση των βακτηρίων, σωματιδίων κ.ά), αλλά στις μεσαίες και μεγάλες θολότητες, με την πάροδο του χρόνου, μειώνεται αισθητά η διαπερατότητά τους, λόγω επικαθήσεων (fouling). Η αυστηρότητα των κανονισμών ποιότητας πόσιμου νερού, η αυτοματοποιημένη λειτουργία και ο μικρότερος χώρος εγκατάστασης αντιπαρέρχονται το όποιο μειονέκτημα αυξημένου κόστους λειτουργίας και την καταστούν ελκυστικότερη για την παραγωγή πόσιμου νερού. Τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην βελτιστοποίηση μιας μονάδας επεξεργασίας νερού για την αντικατάσταση των φίλτρων βαρύτητας με μονάδες υπερδιήθησης (ultrafiltration) με σκοπό, αφενός την μείωση του πάγιου και λειτουργικού κόστους των αμμόφιλτρων και αφετέρου την καλύτερη απομάκρυνση όλων των αιωρούμενων σωματιδίων που δεν απομακρύνονται κατά την διαδικασία θρόμβωσης/καθίζησης. Η λειτουργία των διεργασιών καθαρισμού του νερού και η επιλογή χημικών ουσιών επεξεργασίας έχουν αντίκτυπο στην φύση και τον όγκο της αποβάλλουσας ιλύος. Στην προσπάθεια εύρεσης ενός περιβαλλοντικά ορθού και αειφόρου τρόπου διαχείρισης της, η αποβάλλουσα ιλύς αναμίχθηκε με σχετικά άγονο έδαφος αγρού, και στη συνέχεια μελετήθηκε η φυτοτοξικότητα των στερεών δειγμάτων σε δυο είδη φυτών. Για τον προσδιορισμό τοξικών επιδράσεων στη βλάστηση των σπόρων γρασιδιού και την ανάπτυξη νεαρών φυτών μαρουλιού μελετήθηκε η επίδραση τριών καλλιεργητικών χειρισμών του εδάφους (μείγματα χώματος – ιλύος 85-15%, 70-30%, 55-45%). Κατά τη διάρκεια των φυτοτοξικών πειραμάτων γινόταν καθημερινή οπτική παρατήρηση και λαμβάνονταν πειραματικές μετρήσεις (πλάτος, μήκος φύλλου, αριθμός φύλλων, κλπ.), με σκοπό την τελική απεικόνιση της προόδου ανάπτυξης των φυτών. Η αξιολόγηση της καλλιέργειας φυτών σε χώμα εμπλουτισμένο με αποβάλλουσα λάσπη διυλιστηρίου νερού δεν έδειξε κανενός είδους φυτοτοξικότητα ή μετάπτωση των φυτών σε λήθαργο και η ανάπτυξη των φυτικών οργανισμών, δεν έδειξε να ήταν ανάλογη της αύξησης της συγκέντρωσης ιλύος στο έδαφος. Έτσι, τα παραγόμενα απόβλητα (ιλύς) από τη διαδικασία επεξεργασίας επιφανειακών νερών, μπορούν να αξιοποιηθούν ως μέσο ανάπτυξης φυτών με την συμπλήρωση-τροποποίηση των αναλογιών της λεπτής γης του εδάφους. Αποτέλεσμα αυτού του τρόπου θα είναι η περιβαλλοντική και αειφόρος διαχείριση της αποβάλλουσας ιλύος διυλιστηρίου νερού, καθώς και η ανάπτυξη και η αξιοποίηση της γης.