Συστήματα υψηλής φόρτισης: Μια ενδιαφέρουσα επιλογή προς τις ενεργειακά ουδέτερες εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων
*** Άρθρο του Ανδρέα Ανδρεαδάκη (Ομότιμος καθηγητής στη Σχολή Πολιτικών Μηχανικών του ΕΜΠ στο γνωστικό αντικείμενο της «Ρύπανσης των υδάτων και της επεξεργασίας υγρών αποβλήτων» και του Γεράσιμου Φραγκισκάτου (Γεωλόγος και Γεωπεριβαλλοντολόγος του ΕΚΠΑ, κάτοχος μεταπτυχιακού τίτλου σπουδών στον τομέα «Επιστήμη και τεχνολογία υδάτων πόρων», υποψήφιος διδάκτορας του ΕΜΠ).
Τo σύστημα της ενεργού ιλύος για την επεξεργασία των αστικών υγρών αποβλήτων χαρακτηρίζεται από σημαντικά πλεονεκτήματα όπως η αξιοπιστία και ο υψηλός βαθμός απόδοσης στην απομάκρυνση των ρυπαντικών φορτίων. Τα δύο παραπάνω χαρακτηριστικά καθώς και η σχετική απλότητα στην λειτουργία, καθιστούν το τυπικό σύστημα ως την πιο συχνά εφαρμοζόμενη πρακτική στην επεξεργασία λυμάτων.
Τα τελευταία χρόνια λόγω της αποδεδειγμένης συμβολής της ανθρώπινης δραστηριότητας στην κλιματική αλλαγή καθώς και της ανάγκης μείωσης της κατανάλωσης ορυκτών πόρων, η συμβατική μέθοδος επεξεργασίας δέχεται έντονη κριτική μιας και απαιτεί σημαντικά ποσά ηλεκτρικής ενέργειας με συνεπαγόμενο υψηλό λειτουργικό κόστος ενώ ταυτόχρονα η δυνατότητα ανάκτησης αξιοποιήσιμων υλικών (ενέργεια, θρεπτικά συστατικά) που περιέχονται στα υγρά απόβλητα είναι περιορισμένη.
Τα τυπικά αστικά λύματα περιέχουν σημαντικά ποσά αποθηκευμένης χημικής ενέργειας με τη μορφή οργανικών ενώσεων. Ο πιο διαδεδομένος τρόπος ποσοτικοποίησης τους είναι το χημικώς απαιτούμενο οξυγόνο (COD). Το COD εκφράζει το σύνολο του οξυγόνου που καταναλώνεται για την πλήρη οξείδωση του οργανικού φορτίου σε CO2 και νερό.
Το ενεργειακό περιεχόμενο των ανεπεξέργαστων υγρών αποβλήτων ανέρχεται σε περίπου 1.9 kWh/m3 εισερχόμενων λυμάτων. Το 65% από αυτό αποτελείται από οργανικές ενώσεις που, υπό κατάλληλες συνθήκες, βιοδιασπώνται από μικροοργανισμούς ενώ το υπόλοιπο 35% των οργανικών ενώσεων δεν είναι δυνατό να διασπαστεί βιολογικά.
Μια τυπική εγκατάσταση επεξεργασίας λυμάτων καταναλώνει περίπου 0.6 kWh/m3 με την μισή περίπου ενέργεια να δαπανάται στην κάλυψη των αναγκών σε αερισμό. Από τα παραπάνω δεδομένα προκύπτει ότι η χημική ενέργεια με τη μορφή οργανικών ενώσεων στα αστικά υγρά απόβλητα είναι σημαντικά υψηλότερη από την ενέργεια που απαιτείται για την επεξεργασία τους, συμπεριλαμβανομένου του κόστους θέρμανσης των χωνευτών κατά την αναερόβια σταθεροποίηση της πλεονάζουσας ιλύος.
Οι υψηλοί χρόνοι παραμονής στερεών (θc) που επιλέγονται κατά την λειτουργία ενός συμβατικού συστήματος επεξεργασίας εκτός από την βελτίωση της ποιότητας εκροής, δίνουν τη δυνατότητα παρουσίας μικροοργανισμών με χαμηλό ρυθμό ανάπτυξης όπως τα νιτροποιητικά βακτήρια ενώ ταυτόχρονα η συνολική ποσότητα ιλύος που απομακρύνεται από το σύστημα είναι σημαντικά περιορισμένη.
Πάρα τα παραπάνω πλεονεκτήματα η εφαρμογή τέτοιων λειτουργικών παραμέτρων συνεπάγεται την αύξηση του ποσοστού του οργανικού φορτίου των εισερχόμενων λυμάτων που οξειδώνεται σε CO2 και νερό. Αποτέλεσμα αυτού είναι το μεγαλύτερο μέρος της χημικής ενέργειας των λυμάτων να χάνεται στο περιβάλλον.
Στη βάση των παραπάνω διαπιστώσεων έχει προκύψει τα τελευταία χρόνια έντονο ενδιαφέρον για εφαρμογή συστημάτων και τεχνολογιών που έχουν στόχο την απομάκρυνση του οργανικού φορτίου μειώνοντας το ποσοστό της οξείδωσης σε CO2 (συνεπώς και το λειτουργικό κόστος για αερισμό) και αυξάνοντας την εκτροπή του στο ρεύμα της ιλύος.
Κατά την αναερόβια χώνευση της πλεονάζουσας ιλύος, το οργανικό περιεχόμενο των λυμάτων μετατρέπεται σε βιοαέριο το οποίο στη συνέχεια μέσω καύσης αξιοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Όσο μεγαλύτερο είναι το οργανικό φορτίο των εισερχόμενων λυμάτων που εκτρέπεται στο ρεύμα της ιλύος τόσο αυξάνεται η παραγωγή βιοαερίου και συνεπώς η ανάκτηση ηλεκτρικής ενέργειας.
Διάφορες τεχνολογίες έχουν αναπτυχθεί προς αυτή την κατεύθυνση όπως η χρήση μικροδιύλισης, χημικά υποβοηθούμενης πρωτοβάθμιας καθίζησης και συστημάτων υψηλής φόρτισης. Τα συστήματα επεξεργασίας υψηλής φόρτισης ενός ή δύο σταδίων αποτελούν ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα επιλογή.
Συστήματα υψηλής φόρτισης (High Rate Activated Sludge system)
Στόχος των συστημάτων υψηλής φόρτισης (HRAS) είναι η απομάκρυνση του οργανικού φορτίου των εισερχόμενων λυμάτων σε πολύ χαμηλούς χρόνους παραμονής στερεών. Σε αυτές τις συνθήκες οι οργανικές ενώσεις απομακρύνονται μέσω κυρίως των μηχανισμών της προσρόφησης και τις ενδοκυτταρικής αποθήκευσης στη βιομάζα.
Η υδρόλυση του σωματιδιακού και του κολλοειδούς κλάσματος του COD πραγματοποιείται σε ελάχιστο βαθμό ενώ η οξείδωση του διαλυτού COD είναι περιορισμένη μειώνοντας σημαντικά τις ανάγκες για αερισμό και συνεπώς το λειτουργικό κόστος της εγκατάστασης.
Η ιλύς που απομακρύνεται από ένα τέτοιο σύστημα έχει πλούσιο ενεργειακό περιεχόμενο και μπορεί να αξιοποιηθεί για την παραγωγή βιοαερίου μέσω αναερόβιας χώνευσης.
Αν και δεν υπάρχει σαφής ορισμός, συστήματα υψηλής φόρτισης θεωρούνται εκείνα, τα οποία έχουν οργανική φόρτιση της τάξης των 2 – 10 kgBOD kgVSS-1 d-1, χρόνους παραμονής στερεών 0.2 – 2 d και υδραυλικούς χρόνους παραμονής από 0.25 – 2 ώρες ενώ μπορούν να λειτουργήσουν είτε ως αυτόνομα συστήματα επιτυγχάνοντας τα όρια εκροής για το οργανικό φορτίο και τα αιωρούμενα στερεά, είτε ως το Α στάδιο σε διβάθμια συστήματα επεξεργασίας (A/B process).
Ως αυτόνομα συστήματα, για την επίτευξη των ορίων εκροής πραγματοποιείται σημαντική οξείδωση των οργανικών ενώσεων. Για υδραυλικό χρόνο παραμονής της τάξης των δύο ωρών και πάνω εξασφαλίζεται η προσρόφηση του σωματιδιακού και κολλοειδούς COD στη βιομάζα ενώ και η διεργασία της υδρόλυσης επιτυγχάνεται ως έναν βαθμό. Ταυτόχρονα, σε συνδυασμό με τον ικανοποιητικό για ανάπτυξη χρόνο παραμονής στερεών, πραγματοποιείται οξείδωση του μεγαλύτερου μέρους του διαλυτού κλάσματος του COD.
Στην δεύτερη περίπτωση όπου το σύστημα HRAS λειτουργεί ως το Α στάδιο σε ένα διβάθμιο σύστημα επεξεργασίας (Α/Β process) η εικόνα είναι αισθητά διαφορετική. Επιλέγοντας χρόνο παραμονής στερεών μικρότερο από 1 d και διαλυμένο οξυγόνο χαμηλότερο από 1 mg/L, το ποσοστό της οξείδωσης μειώνεται δραστικά ενώ σε αυτές τις συνθήκες η βιομάζα αποκτά τη δυνατότητα ενδοκυτταρικής αποθήκευσης σημαντικού μέρους του διαλυτού COD που δεν μπορεί να οξειδωθεί.
Υδραυλικός χρόνος παραμονής μισής ώρας είναι αρκετός για την προσρόφηση του σωματιδιακού και του κολλοειδούς κλάσματος και παράλληλα χαμηλός για περαιτέρω υδρόλυση τους.
Στόχος του Α σταδίου είναι η εκτροπή του μεγαλύτερου μέρους του οργανικού φορτίου των λυμάτων στο ρεύμα της ιλύος και η ελαχιστοποίηση του ποσοστού της οξείδωσης.
Η χαμηλότερη ποιότητα εκροής σε σχέση με την περίπτωση των αυτόνομων συστημάτων αντισταθμίζεται από την μεγιστοποίηση της παραγωγής βιοαερίου στην αναερόβια χώνευση της ιλύος ενώ το Β στάδιο (χαμηλής πλέον φόρτισης) όταν ακολουθεί, αποσκοπεί στην περαιτέρω απομάκρυνση οργανικών ώστε να ικανοποιούνται τα ενδεχομένως αυστηρά όρια εκροής καθώς και στην απομάκρυνση (όπου απαιτείται) αζώτου.
Κατά συνέχεια η αναγκαιότητα προσθήκης του Β Σταδίου είναι συσχετισμένη με το θεσμικό πλαίσιο και τους περιβαλλοντικούς όρους που καθορίζουν την απαιτούμενη ποιότητα εκροής. Στην Ελλάδα οι αυστηρές επιταγές της Οδηγίας για τα αστικά απόβλητα, κατά κανόνα επιβάλλουν την προσθήκη ενός δεύτερου τέτοιου σταδίου.
Βιολογικές διεργασίες σε συστήματα HRAS
Στο σχήμα 1 παρουσιάζονται οι βασικές διεργασίες που επιτελούνται σε ένα σύστημα υψηλής φόρτισης. Οι σημαντικότερες είναι η προσρόφηση, η ενδοκυτταρική αποθήκευση και η υδρόλυση.
Η παραγωγή ενέργειας και η παραγωγή εξωκυτταρικών πολυμερών (EPS) αποτελούν ένα σύνολο διεργασιών που πρέπει επίσης να μελετηθούν για την ολοκληρωμένη κατανόηση τέτοιου είδους συστημάτων.
1. Είσοδος στο κύτταρο, 2. Προσρόφηση σωματιδιακού και κολλοειδούς COD, 3. Υδρόλυση σωματιδιακού, κολλοειδούς COD και EPS, 4. Οξείδωση διαλυτού COD, 5. Αερόβια Σύνθεση, 6. Ενδοκυτταρική αποθήκευση διαλυτού COD, 7. Υδρόλυση PHAs 9 Σύνθεση EPS
Προσρόφηση είναι η φυσικοχημική διαδικασία προσκόλλησης του σωματιδιακού και του κολλοειδούς κλάσματος του COD των λυμάτων στην εξωτερική επιφάνεια των κροκίδων.
Μπορεί να θεωρηθεί ως ένα προκαταρτικό βήμα της ανάπτυξης των μικροοργανισμών αφού προηγείται του μηχανισμού της υδρόλυσης και της επακόλουθης εισόδου των προϊόντων της στο κύτταρο. Στα συστήματα υψηλής φόρτισης συνιστά τον σημαντικότερο μηχανισμό απομάκρυνσης οργανικής ύλης από τα λύματα, που ολοκληρώνεται σε μικρό χρόνο (μερικά λεπτά) επαφής με την βιομάζα.
Η παγίδευση των οργανικών ενώσεων των λυμάτων γίνεται στα εξωκυτταρικά πολυμερή (EPS) που συνθέτουν οι μικροοργανισμοί κατά την ανάπτυξη τους στην εξωτερική τους επιφάνειας.
Γίνεται προφανές ότι η παρουσία των EPS καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την απόδοση του μηχανισμού της προσρόφησης. Από τη στιγμή που έχει δημιουργηθεί ένας επαρκές δίκτυο EPS, λόγω φυσικοχημικών δυνάμεων και αλληλεπιδράσεων μεταξύ επιφανειών, αλλά και λόγω φυσικής παγίδευσης, το κολλοειδές και το σωματιδιακό COD απομακρύνεται από την υγρή φάση.
Ο χρόνος που χρειάζεται για να δημιουργηθούν συσσωματώματα και να αρχίσει η διαδικασία της προσρόφησης είναι 1 -2 λεπτά. Κατά συνέπεια ένας υδραυλικός χρόνος επαφής της βιομάζας με τα λύματα της τάξης των 5 – 15 min είναι επαρκής.
Ο σχηματισμός ενδοκυτταρικών πολυμερών από την βιομάζα λαμβάνει χώρα σε περιβάλλον υψηλής οργανικής φόρτισης (F/M) και απουσίας (ή χαμηλού) διαλυμένου οξυγόνου (DO).
Στις παραπάνω συνθήκες οι μικροοργανισμοί μπορούν να δεσμεύσουν το διαλυτό COD σχηματίζοντας αδιάλυτα πολυμερή στο εσωτερικό του κυττάρου και να τα καταναλώσουν όταν βρεθούν σε κατάσταση ελλείμματος τροφής.
Υδρόλυση είναι η διεργασία μετατροπής σύνθετων οργανικών ενώσεων σε απλούστερες ώστε να μπορούν να καταναλωθούν από τους μικροοργανισμούς.
Στόχος του συστήματος Α είναι η βελτιστοποίηση των μηχανισμών της προσρόφησης και της ενδοκυτταρικής αποθήκευσης και αυτό είναι δυνατό να επιτευχθεί επιλέγοντας τις κατάλληλες λειτουργικές παραμέτρους.
Η τεχνική της επαφής-σταθεροποίησης
Στην προσπάθεια περαιτέρω ενίσχυσης της απόδοσης του συστήματος υψηλής φόρτισης έχουν δοκιμαστεί διάφορες τεχνικές που έχουν στόχο να υποβάλλουν τους μικροοργανισμούς σε συγκεκριμένες συνθήκες ανάπτυξης.
Η εναλλαγή συνθηκών από περιβάλλον πλούσιο σε τροφή και στη συνέχεια σε περιβάλλον απουσίας τροφής (feast-famine regime) φαίνεται να έχει τα καλύτερα αποτελέσματα. Η παραπάνω τεχνική είναι γνωστή ως διαδικασία επαφής σταθεροποίησης σε συστήματα υψηλής φόρτισης.
Σε ένα τέτοιο σύστημα τα εισερχόμενα λύματα έρχονται σε επαφή με τη βιομάζα σε μία δεξαμενή επαφής, υπό καθεστώς πλήρους μίξης σε αναερόβιες συνθήκες ή σε συνθήκες χαμηλού διαλυμένου οξυγόνου, η οποία ακολουθείται από μία δεξαμενή καθίζησης.
Το πλεόνασμα της ιλύος απομακρύνεται από τον πυθμένα της δεξαμενής καθίζησης ενώ η υπόλοιπη βιομάζα επανακυκλοφορείται σε μία δεξαμενή σταθεροποίησης με πλήρως αερόβιες συνθήκες υπό καθεστώς πλήρους μίξης, πριν εισέλθει στην δεξαμενή επαφής και επαναληφθεί η διαδικασία (εναλλακτική λειτουργία στο σχήμα 2).
Τα συστήματα υψηλής φόρτισης, ειδικά με εφαρμογή της τεχνικής επαφής σταθεροποίησης, μπορούν να επιτύχουν βαθμούς απόδοσης ως προς την απομάκρυνση οργανικού φορτίου από 60-80%, που είναι μεγαλύτεροι από τους αντίστοιχους της πρωτοβάθμιας επεξεργασίας ακόμα κι αν αυτή ενισχύεται με την προσθήκη κροκιδωτικών. Επισημαίνεται δε ότι η χρήση κροκιδωτικών συνεπάγεται αύξηση του λειτουργικού κόστους της εγκατάστασης.
Για τους λόγους αυτούς τα συστήματα υψηλής φόρτισης αποτελούν μια πολύ ενδιαφέρουσα πρακτική στην προσπάθεια μείωσης του ενεργειακού κόστους μιας εγκατάστασης επεξεργασίας λυμάτων διατηρώντας τα απαιτούμενα υψηλά επίπεδα εκροής.
Συχνά η προσπάθεια μεγιστοποίησης της ανάκτησης του οργανικού άνθρακα από τα λύματα, (Α στάδιο) δημιουργεί δυσκολίες στην επίτευξη στόχων που έχουν σχέση με την απομάκρυνση θρεπτικών και κυρίως του αζώτου (Β στάδιο).
Ωστόσο, έχουν αναπτυχθεί καινοτόμες τεχνολογίες (π.χ. νιτροδοποίηση, απονιτροδοποίηση, anammox) για την επίλυση των προβλημάτων αυτών.
Η προώθηση καινοτόμων τεχνολογιών που εξυπηρετούν τον σκοπό της ενεργειακής εξοικονόμησης και ενεργειακής αυτάρκειας των εγκαταστάσεων προϋποθέτουν όχι μόνο την ύπαρξη και γνώση των τεχνολογιών αλλά και θεσμικές ρυθμίσεις για την προώθησή τους (π.χ. κατάλληλο σύστημα προκηρύξεων).
Ενδιαφέρον επίσης παρουσιάζει η δυνατότητα αξιοποίησης νέων πηγών χρηματοδότησης από την ΕΕ που σχετίζονται με τις καινοτομίες και το ευρύτερο πρόβλημα αντιμετώπισης της κλιματικής αλλαγής.
Πηγή : https://energy-industry.gr/
Ακολουθήστε το
kefaloniapress.gr στο Google News
και μάθετε πρώτοι όλες τις ειδήσεις
