Εφαρμογή πρωτοβάθμιων συστημάτων διήθησης για τη μείωση των ενεργειακών αναγκών και τη διαχείριση του αυξανόμενου φορτίου σε εγκαταστάσεις ενεργού ιλύος

Abstract

In recent years, energy use in Wastewater Treatment Plants (WWTPs) has increased due to the application of advanced wastewater and sludge treatment methods as well as the management of higher volumes of waste. Many WWTPs operate with increased hydraulic flows or increased inlet load, resulting in incomplete wastewater treatment. The phenomenon is intense during the summer months, in WWTPs serving tourist areas. Innovative primary filtration systems for the treatment of urban wastewater with low cost and energy could be a solution to the above-mentioned problems. The innovation of primary filtration systems lies in the early removal of suspended solids from raw wastewater, before their entry into the aeration tank. In this way, existing and new WWTPs can be upgraded, without the need for conventional expansion. Two such pilot plants with maximum hydraulic capacity of 2,500 and 1,800 m3/d have been designed and installed in the WWTP of Marpissa (Greece) and Kyperounda (Cyprus), respectively. The pilot units consist in series of: microsieves and Continuous Backwash Upflow Media Fitlers (CBUMFs), while the condensate of the CBUMFs is treated in a lamella clarifier. In this way, the two WWTPs were upgraded so that they can accept an increased entry load, while also reducing their energy expenditure. However, both WWTPs plan to expand the sewerage network resulting in an increase in the inlet flow rate. Specifically, the main objectives of the doctoral thesis are: i) the design and construction of primary filtration systems with the processes of microsieving, sand filtration and lamellar sedimentation, ii) the investigation and evaluation of the efficiency of microsieving, sand filtration and lamellar sedimentation in raw wastewater, iii) the modeling and creation of software for microsieving and sand filtration technologies, iv) the economic evaluation of the pilot systems in the WWTPs of Marpissa and Kyperounda and v) the investigation of the adoption of primary filtration systems by WWTPs in Greece and Cyprus and vi) the quantification of the estimated benefits in the downstream biological process of overloaded WWTPs using microsieving and sand filtration technologies. The average percentage removals of Total Suspended Solids (TSS), Biochemical Oxygen Demand (BOD5), and Chemical Oxygen Demand (COD) with combined treatment, microsieving (pore opening 250 μm) followed by sand filtration, were calculated to be 52 ± 2 %, 46 ± 7 %, 43 ± 3 % in the WWTP of Kyperounda, respectively. By adding coagulants ((Polyaluminum Chloride (PAC))) to the CBUMF the mean percentage removals of TSS, BOD5 and COD with combined treatment (microsieving followed by sand filtration) were calculated to 72 ± 1 %, 52 ± 5% και 60 ± 5 %. Primary filtration systems can remove 10% to 23% of the total Kjeldahl nitrogen from raw wastewaster. However, the range of total phosphorus removal achieved by treating wastewater using microsieving (with a pore opening of 250 μm) and sand filtration technologies was 5% to 18% in the Kyperounda WWTP. The microsieve installed at WWTP Marpissa accomplished a removal of suspended solids of 40-58% without the usage of coagulants. In addition, microsieves produce Primary Sieved Solids (PSS) with a solids content over 30%. Additionally, the experimental data and model predictions exhibited a high degree of concordance (R2> 98). In addition to evaluating of the innovative technologies, the experimental data was used to develop a wastewater process simulation software. The software can provide a preliminary design of the primary filtration systems the and models the process, allowing for the implementation of innovative solutions on a larger scale. The software offers additional data regarding the estimated reduction in the energy needs of WWTPs through the use of primary filtration systems.The estimated cost for the complete treatment of wastewater with the implementation of primary filtration in the existing WWTP of Marpissa was estimated at 0.32 €/m3. However, the cost for upgrading the Marpissa WWTP with a conventional expansion (expansion of the existing biological treatment) was estimated at 0.48 €/m3. For the upgrading of the Kyperounda WWTP, the cost for the complete treatment of wastewater by primary filtration was estimated at 0.88 €/m3. On the other hand, the cost of conventional expansion (expansion of the existing biological treatment) was determined equal to 1.64 €/m3 for WWTP Kyperounda. Regarding the adoption of primary filtration systems by greek and cypriot WWTPs, the sample displayed a specific interest in implementing these systems. Investigating the effect of primary filtration systems on downstream biological treatment of overloaded WWTPs can result in significant reductions in the volume (m3) of aeration tanks (15-55%), the required oxygen demand (kg O2/h) for BOD5 removal and nitrification (14-52%), the amount (t/d) of secondary sludge (19-66%), and the energy consumption (kWh/m3) of aeration tanks (9-54%). Primary filtration systems can offer a sustainable technological approach to more efficient wastewater treatment, effectively addressing the problems of overload, while reducing the operating costs of small and large scale WWTPs.

Τα τελευταία χρόνια, η χρήση ενέργειας στις Εγκαταστάσεις Επεξεργασίας Λυμάτων (ΕΕΛ) έχει αυξηθεί λόγω της εφαρμογής προηγμένων μεθόδων επεξεργασίας λυμάτων και ιλύος καθώς και τη διαχείριση υψηλότερων όγκων αποβλήτων. Πολλές ΕΕΛ λειτουργούν με αυξημένες υδραυλικές παροχές ή αυξημένο φορτίο εισόδου, με συνέπεια την ατελή επεξεργασία των λυμάτων. Το φαινόμενο αυτό είναι έντονο κατά τους θερινούς μήνες, σε ΕΕΛ που εξυπηρετούν τουριστικές περιοχές. Λύση στα προαναφερθέντα προβλήματα θα μπορούσαν να αποτελέσουν καινοτόμα πρωτοβάθμια συστήματα διήθησης για την επεξεργασία αστικών λυμάτων με χαμηλό κόστος και ενέργεια. Η καινοτομικότητα των συστημάτων πρωτοβάθμιας διήθησης έγκειται στην πρώιμη απομάκρυνση αιωρούμενων στερεών από τα λύματα, πριν αυτά εισέλθουν στη δεξαμενή αερισμού. Με αυτό τον τρόπο υφιστάμενες και νέες ΕΕΛ μπορούν να αναβαθμιστούν, χωρίς την ανάγκη συμβατικής επέκτασης. Δύο τέτοιες πιλοτικές μονάδες με μέγιστη δυναμικότητα 2.500 και 1.800 m3/d αποβλήτων έχουν σχεδιαστεί και εγκατασταθεί στις ΕΕΛ Μάρπησσας (Ελλάδα) και Κυπερούντας (Κύπρος), αντίστοιχα. Οι πιλοτικές μονάδες αποτελούνται κατά σειρά από: μικροκόσκινα και Αυτοκαθαριζόμενα Αμμόφιλτρα Ανοδικής Ροής (Continuous Backwash Upflow Media Fitlers, CBUMFs), ενώ το συμπύκνωμα των CBUMFs επεξεργάζεται σε δεξαμενή καθίζησης με λαμέλλες. Με αυτόν τον τρόπο οι δύο ΕΕΛ αναβαθμίστηκαν με αποτέλεσμα να μπορούν να δεχτούν αυξημένο φορτίο εισόδου, με παράλληλη μείωση της ενεργειακής τους δαπάνης. Ωστόσο, και οι δύο ΕΕΛ προγραμματίζουν επέκταση του δικτύου αποχέτευσης με συνέπεια την αύξηση της παροχής εισόδου. Συγκεκριμένα, οι βασικοί στόχοι της διδακτορικής διατριβής είναι: i) ο σχεδιασμός και η κατασκευή πρωτοβάθμιων συστημάτων διήθησης με τις διεργασίες μικροκοσκίνισης, αμμοφίλτρανσης και καθίζησης με λαμέλλες, ii) η διερεύνηση και αξιολόγηση αποδοτικότητας των διεργασιών μικροκοσκίνισης, αμμοφίλτρανσης και καθίζησης με λαμέλλες στην επεξεργασία των υγρών αποβλήτων, iii) η προσομοίωση και δημιουργία λογισμικού για τις τεχνολογίες μικροκοσκίνισης και αμμοφίλτρανσης, iv) η οικονομική αξιολόγηση των πιλοτικών συστημάτων στις ΕΕΛ Μάρπησσας και Κυπερούντας και v) η διερεύνηση υιοθέτησης των πρωτοβάθμιων συστημάτων διήθησης από ΕΕΛ στην Ελλάδα και την Κύπρο vi) και η ποσοτικοποίηση των εκτιμώμενων οφελών στην κατάντη βιολογική επεξεργασία υπερφορτωμένων ΕΕΛ με τη χρήση των τεχνολογιών μικροκοσκίνισης και αμμοφίλτρανσης. Οι μέσες ποσοστιαίες απομακρύνσεις των Ολικών Αιωρούμενων Στερεών (Total Suspended Solids, TSS), του Βιοχημικά Απαιτούμενου Οξυγόνου πέντε ημερών (Biochemical Oxygen Demand, BOD5) και του Χημικά Απαιτούμενου Οξυγόνου (Chemical Oxygen Demand, COD) με συνδυασμένη επεξεργασία μικροκοσκίνισης (με άνοιγμα πόρων 250 μm) και αμμοφίλτρανσης υπολογίστηκαν ίσες με 52 ± 2 %, 46 ± 7 %, 43 ± 3 %, στην ΕΕΛ Κυπερούντας, αντίστοιχα. Mε την προσθήκη κροκιδωτικών (Χλωριούχου Πολυαλουμινίου (Polyaluminum Chloride, PAC)) στο CBUMF, οι μέσες ποσοστιαίες απομακρύνσεις των TSS, BOD5 και COD με συνδυασμένη επεξεργασία (μικροκοσκίνιση ακολουθούμενη από αμμοφίλτρανση) προσδιορίστηκαν ίσες με 72 ± 1 %, 52 ± 5% και 60 ± 5 %. Τα πρωτοβάθμια συστήματα διήθησης είναι ικανά για την απομάκρυνση του ολικού κατά Kjeldahl αζώτου σε ποσοστό 10% έως 23% από τα αστικά λύματα. Ωστόσο, το εύρος της απομάκρυνσης ολικού φωσφόρου που επιτεύχθηκε με συνδυασμένη επεξεργασία (μικροκοσκίνιση ακολουθούμενη από αμμοφίλτρανση) ήταν από 5% έως 18% στην ΕΕΛ Κυπερούντας. Η ποσοστιαία απομάκρυνση των αιωρούμενων στερεών για το μικροκίσκινο (με άνοιγμα πόρων 250 μm), που εγκαταστάσθηκε στην ΕΕΛ Μάρπησσας υπολογίστηκε από 40 έως 58% χωρίς την προσθήκη κροκιδωτικών κατά τις εργοστασιακές αποδοχής. Επιπλέον, από τη μικροκοσκίνιση με τη χρήση των Φίλτρων Περιστρεφόμενου Ιμάντα (Rotating Belt Filters, RBFs) παράγονται Πρωτοβάθμια Κοσκινισμένα Στερεά (Primary Sieved Solids, PSS), με περιεκτικότητα σε στερεά μεταξύ άνω του 30%. Επιπλέον, τα πειραματικά δεδομένα και οι προβλέψεις των μοντέλων εμφάνισαν υψηλό βαθμό συμφωνίας (R2> 98). Εκτός από την αξιολόγηση των καινοτόμων τεχνολογιών, χρησιμοποιήθηκαν πειραματικά δεδομένα για τη δημιουργία λογισμικoύ προσομοίωσης διεργασιών λυμάτων. Το λογισμικό δύναται να παρέχει έναν προκαταρκτικό σχεδιασμό των πρωτοβάθμιων συστημάτων διήθησης ώστε να επιτρέπεται η εφαρµογή των καινοτόµων λύσεων σε ευρύτερη κλίμακα (scale-up). Το λογισμικό προσφέρει επιπλέον δεδομένα σχετικά με την εκτιμώμενη μείωση των ενεργειακών αναγκών των ΕΕΛ με τη χρήση πρωτοβάθμιων συστημάτων διήθησης. Το εκτιμώμενο κόστος για την πλήρη επεξεργασία των λυμάτων με την εφαρμογή πρωτοβάθμιας διήθησης στην υφιστάμενη ΕΕΛ Μάρπησσας υπολογίστηκε στα 0,32 €/m3. Ωστόσο, το κόστος για την αναβάθμιση της ΕΕΛ Μάρπησσας με συμβατική επέκταση (επέκταση της υφιστάμενης βιολογικής επεξεργασίας) υπολογίστηκε ίσο με 0,48 €/m3. Για την αναβάθμιση της ΕΕΛ Κυπερούντας, το κόστος για την πλήρη επεξεργασία των λυμάτων με πρωτοβάθμια διήθηση εκτιμήθηκε στα 0,88 €/m3. Από την άλλη, το κόστος συμβατικής επέκτασης (επέκταση της υφιστάμενης βιολογικής επεξεργασίας) προσδιορίστηκε ίσο με 1,64 €/m3 για την ΕΕΛ Κυπερούντας. Σχετικά με την υιοθέτηση των πρωτοβάθμιων συστημάτων διήθησης από ελληνικές και κυπριακές ΕΕΛ, το εξεταζόμενο δείγμα έδειξε ιδιαίτερο ενδιαφέρον για την εφαρμογή των συστημάτων αυτών. Η διερεύνηση της επίδρασης των πρωτοβάθμιων συστημάτων διήθησης στην κατάντη βιολογική επεξεργασία υπερφορτωμένων ΕΕΛ δύναται να οδηγήσει σε σημαντικές μειώσεις στον όγκο (m3) των δεξαμενών αερισμού (15-55%), τις απαιτούμενες ανάγκες σε οξυγόνο (kg O2/h) (απομάκρυνση BOD5 και νιτροποίηση) στις δεξαμενές αερισμού (14-52%), τη ποσότητα (t/d) δευτεροβάθμιας ιλύος (19-66%), και τη κατανάλωση ενέργειας (kWh/m3) των δεξαμενών αερισμού (9-54%). Τα πρωτοβάθμια συστήματα διήθησης αποτελούν μια βιώσιμη τεχνολογική προσέγγιση στην αποδοτικότερη επεξεργασία των υγρών αποβλήτων, αντιμετωπίζοντας εύστοχα τα προβλήματα της υπερφόρτωσης με την παράλληλη μείωση τους κόστους λειτουργίας των ΕΕΛ μικρής και μεγάλης δυναμικότητας.