Εφαρμογή τεχνικών ανάλυσης εικόνας και μικροσκοπικών παρατηρήσεων για την παρακολούθηση φαινομένων νηματοειδούς διόγκωσης και αφρισμού

Abstract

Στόχος της παρούσας διπλωματικής ήταν να προσδιοριστούν αρχικά τα χαρακτηριστικά της καθιζησιμότητας της ενεργού ιλύος δειγμάτων ανάμικτου υγρού και ανακυκλοφορίας ιλύος από δύο εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων με διαφορετικές λειτουργικές συνθήκες. Σκοπός ήταν δηλαδή, να προσδιοριστούν παράμετροι όπως ο δείκτης καθιζησιμότητας της ιλύος (DSVI), η ταχύτητα ζωνικής καθίζησης και οι παράμετροι Vo και n της εξίσωσης Vesilind με πειραματικές διαδικασίες που πραγματοποιήθηκαν σε σταθερές συνθήκες θερμοκρασίας των 20◦C. Επιλέχτηκε να εξεταστούν δείγματα από δύο εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων για δύο περιπτώσεις: α) για την ΕΕΛ Κοζάνης, η οποία εμφανίζει προβλήματα νηματοειδούς διόγκωσης και αφρισμού και β) για την ΕΕΛ Λαμίας, που δεν παρουσιάζει τέτοια προβλήματα. Επιπλέον, αναπτύχθηκε μια μεθόδος ανάλυσης και επεξεργασίας της μικροσκοπικής εικόνας των δειγμάτων ενεργού ιλύος, με σκοπό τον υπολογισμό διαφόρων μορφολογικών παραμέτρων των κροκίδων και τον προσδιορισμό των πιθανών μεταξύ τους συσχετίσεων, αλλά και των συσχετίσεων αυτών των παραμέτρων με τις παραμέτρους καθιζησιμότητας της ενεργού ιλύος. Η μέθοδος αυτή συνδυάζει τη μικροσκοπική παρατήρηση με ένα λογισμικό επεξεργασίας εικόνας (Image Pro Plus) και έχει την δυνατότητα εντοπισμού και καταγραφής πολλών μορφολογικών παραμέτρων των κροκίδων με μεγάλη ακρίβεια, καταργώντας την υποκειμενικότητα του αναλυτή. Οι παράμετροι που επιλέχτηκε να εξεταστούν εκτενέστερα ήταν: ο λόγος του μέγιστου άξονα ως προς τον ελάχιστο άξονα μιας έλλειψης (aspect ratio), ο μέγιστος άξονας (axis major), η μέγιστη διάμετρος (diameter max), η μέση διάμετρος (diameter ave) και η περίμετρος (perimeter) των κροκίδων. Επίσης, προσδιορίστηκε το σημείο λειτουργικής κατάστασης των δεξαμενών τελικής καθίζησης των δύο εγκαταστάσεων με σκοπό να διερευνηθεί περαιτέρω η δυνατότητα της ενεργού ιλύος να καθιζάνει ικανοποιητικά και να προταθούν λύσεις για την καλύτερη λειτουργία των εγκαταστάσεων. Διερευνήθηκε επίσης, η επίδραση της προσθήκης διαφορετικών κροκιδωτικών στις μορφολογικές παραμέτρους που εξετάστηκαν για τα δείγματα της ενεργού ιλύος. Τέλος, πραγματοποιήθηκε μία συγκριτική μελέτη για τις δύο εγκαταστάσεις. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι στην περίπτωση φαινομένων νηματοειδούς διόγκωσης σε μία ΕΕΛ, οι κροκίδες της ενεργού ιλύος είναι πιο μικρές και με επίμηκες σχήμα που προσεγγίζει την έλλειψη. Ο δείκτης καθιζησιμότητας της ιλύος εμφανίζει ιδιαίτερα υψηλές τιμές και η ταχύτητα ζωνικής καθίζησης είναι ιδιαιτέρως χαμηλή. Επίσης, παρατηρήθηκε ότι και οι δύο εγκαταστάσεις είχαν ιδιαίτερα ικανοποιητικές τιμές για την παραμέτρο Vo, αλλά αντίθετα πολύ υψηλές και άρα όχι ικανοποιητικές τιμές για την παράμετρο n κάτι που σχετίζεται άμεσα με την χρήση κροκιδωτικών κατά τη διάρκεια της λειτουργίας των εγκαταστάσεων. Επιβεβαιώθηκε επιπλέον ότι υπάρχει άμεση συσχέτιση του δείκτη καθιζησιμότητας της ιλύος με τις σταθερές Vo και n. Τέλος, η μόνη σημαντική επίδραση που εντοπίσθηκε με την προσθήκη κροκιδωτικών στα δείγματα ενεργού ιλύος σε εργαστηριακή κλίμακα, ήταν η περίπτωση της προσθήκης της μέγιστης επιλεγμένης δόσης κατιονικού πολυηλεκτρολύτη.

The aim of this thesis was to identify the characteristics of activated sludge settleability and compactability for sludge samples taken from two wastewater treatment plants with different operating conditions. In other words, the goal was to determine all the parameters related to sludge settleability and compactability, such as the Diluted Sludge Volume Index (DSVI), the zonal settling velocity and the Vesilind’s parameters Vo and n through experimental procedures that were performed at stable temperature, at 20◦C. It was selected to examine samples taken from two wastewater treatment plants in order to investigate two different cases: a) Kozani’s WWTP, a WWTP that experienced bulking and foaming problems and b) Lamia’s WWTP, a WWTP that has not operating problems due to these phenomena. In addition, this work deals with the development of an image analysis method to characterize microbial flocs in order to calculate later various morphological parameters of these flocs and identify potential correlations among them, or correlations among these morphological parameters and parameters that are related to sludge settleability and compactability. The developed procedure combines microscopic examination with an image processing software (Image Pro Plus) and permits to obtain and record, with great accuracy and objectivity, several morphological parameters like aspect ratio, axis major, diameter max, diameter average and perimeter. State Point Analysis (SPA) was also a convenient visual way to determine the operating condition of the clarifiers for these two WWTP and it was obtained in order to investigate further the settleability of activated sludge and propose solutions in case of operating problems. At the end, it was investigated the effect on morphological parameters by adding several types of inorganic flocculants in samples of activated sludge. Finally, a comparative study was carried out for the two WWTPs. The results obtained in this work can be summarized as follow: First of all, in the case of WWTP that experienced bulking problems, the activated sludge flocs are smaller and their shape seems to approximate the shape of an ellipse. Diluted Sludge Volume Index is high and zonal settling velocity is low. It was also obvious that parameter Vo was satisfactory for samples taken from both Kozani’s and Lamia’s WWTP, but the values of parameter n was too high to be satisfactory. Further confirmed that there is a direct correlation between Diluted Sludge Volume Index and Vesilind’s parameters. In addition, it was verified a significant influence of cationic polyelectrolyte for the maximum dose that was added against all other selected inorganic flocculants.