Παρακολούθηση και Βελτιστοποίηση Πιλοτικών Συστημάτων Επεξεργασίας Λυμάτων Υψηλής Οργανικής Φόρτισης

Καρατσώκης, Γεώργιος; Karatsokis, Georgios

dc.contributor.author	Καρατσώκης, Γεώργιος
dc.contributor.author	Karatsokis, Georgios
dc.date.accessioned	2020-03-30T18:26:26Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/49972
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.17670
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών”
dc.rights	Default License
dc.subject	Συστήματα επεξεργασίας	el
dc.subject	Λύμματα Υψηλής Οργανικής Φόρτισης	el
dc.subject	High rate systems	en
dc.subject	Wastewater treatment	en
dc.title	Παρακολούθηση και Βελτιστοποίηση Πιλοτικών Συστημάτων Επεξεργασίας Λυμάτων Υψηλής Οργανικής Φόρτισης	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Περιβαλλοντική Μηχανική	el
heal.dateAvailable	2021-03-29T21:00:00Z
heal.language	el
heal.access	embargo
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-11-12
heal.abstract	Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί η διερεύνηση δύο πιλοτικών συστημάτων επεξεργασίας τυπικών αστικών λυμάτων, τα οποία λειτουργούν σε συνθήκες υψηλής οργανικής φόρτισης. Κατά την διάρκεια εκπόνησης της διπλωματικής εργασίας πραγματοποιήθηκε καθημερινή παρακολούθηση της λειτουργίας των πιλοτικών συστημάτων όσον αφορά διάφορες λειτουργικές παραμέτρους (π.χ. SRT, HRT, DO, SAS) αλλά και παραμέτρων που σχετίζονται με την απόδοση των συστημάτων ως προς την ικανότητα απομάκρυνσης οργανικού φορτίου (διάφορα κλάσματα COD, BOD5, TSS). Επίσης διερευνήθηκε η ικανότητα εμπλουτισμού της παραγόμενης πλεονάζουσας ιλύος σε οργανικό φορτίο με την ενίσχυση της επίδρασης μηχανισμών απομάκρυνσης του COD όπως η προσρόφηση και η ενδοκυτταρική αποθήκευση, καθώς και τα χαρακτηριστικά καθιζησιμότητας της. Σκοπός λοιπόν της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση της επίδρασης των λειτουργικών παραμέτρων καθώς αυτές μεταβάλλονται με τον χρόνο, στην απόδοση των δύο πιλοτικών συστημάτων υψηλής οργανικής φόρτισης όπως αναφέρθηκε παραπάνω, καθώς και η εξαγωγή συμπερασμάτων που συντελούν στην ολοκληρωμένη βελτιστοποίηση της λειτουργίας τους. Για τον παραπάνω λόγο σχεδιάστηκαν και τέθηκαν σε λειτουργία δύο πιλοτικά συστήματα υψηλής οργανικής φόρτισης. Τα πιλοτικά συστήματα βρίσκονταν σε ειδικά διαμορφωμένο χώρο, εντός εμπορευματοκιβωτίου (container) στο Κέντρο Επεξεργασίας Λυμάτων της Ψυττάλειας. Το πρώτο σύστημα ονομάζεται συμβατικό σύστημα υψηλής φόρτισης (HiCAS), περιελάμβανε μία δεξαμενή επαφής (contact tank) όπου εκεί συντελούνταν όλες οι βιολογικές διεργασίες και μια δεξαμενή τελικής καθίζησης για τον διαχωρισμό των επεξεργασμένων λυμάτων από το ανάμεικτο υγρό. Το δεύτερο σύστημα ονομάζεται σύστημα υψηλής φόρτισης επαφής-σταθεροποίησης (HiCS) και αποτελεί ουσιαστικά παραλλαγή του πρώτου συστήματος. Η διαφοροποίηση από το προηγούμενο σύστημα (HiCAS) είναι ότι η ανακυκλοφορούμενη ιλύς από τον πυθμένα της ΔΤΚ διερχόταν πρώτα από μια δεξαμενή σταθεροποίησης (stabilization tank), υπό αερόβιες συνθήκες ώστε να αυξηθεί η ικανότητα της για απομάκρυνση οργανικού φορτίου στην δεξαμενή επαφής. 2 Τα λύματα από το κανάλι προσαγωγής του ΚΕΛ Ψυττάλειας μεταφέρονταν μέσω αντλίας σε δεξαμενή τροφοδοσίας των συστημάτων. Η παροχή της αντλίας στη δεξαμενή ήταν 4 m3/h και ο ωφέλιμος όγκος της 0.5 m3. Τα λύματα από την δεξαμενή τροφοδοσίας, μέσω κατάλληλης διάταξης υπερχείλιζαν πίσω στο κανάλι προσαγωγής του ΚΕΛΨ. Δύο περισταλτικές αντλίες, εργαστηριακής κλίμακας μεταβαλλόμενης παροχής, χρησιμοποιούνταν για την μεταφορά των λυμάτων από την δεξαμενή τροφοδοσίας στα δύο συστήματα. Η λειτουργία των δύο συστημάτων ξεκίνησε δοκιμαστικά στις 30/06/2018 για μία εβδομάδα ενώ ημερομηνία έναρξης της κανονικής λειτουργίας με λύματα ήταν η 06/07/2018. Κατά τη διάρκεια της παρούσας διπλωματικής εργασίας διερευνήθηκαν τέσσερις κύκλοι λειτουργίας με χρονική διάρκεια 113, 60, 90 και 75 μέρες αντίστοιχα, με ημερομηνία λήξης του τέταρτου κύκλου λειτουργίας την 21/6/2019. Σε κάθε κύκλο λειτουργίας υπήρξε μεταβολή στους χρόνους παραμονής στερεών (SRT) και υδραυλικής επαφής (HRT), σε όλο και συντομότερες συνθήκες επεξεργασίας. Ο πρώτος κύκλος λειτουργούσε σε SRT 2d και HRT 2h, και στην συνέχεια οι χρόνοι μειώθηκαν σε SRT 2d – HRT 1h στον δεύτερο, SRT 1d – HRT 1h στον τρίτο και τελικά σε SRT 1d και HRT 0,5h στον τέταρτο κύκλο λειτουργίας. Τα αποτελέσματα για το πιλοτικό σύστημα HiCAS έδειξαν ότι οι πιο αποτελεσματικοί κύκλοι λειτουργίας όσον αφορά την απομάκρυνση σε οργανικό φορτίο ήταν ο πρώτος και ο τρίτος με ποσοστά απομάκρυνσης 79 και 71,5 % ως προς το ολικό COD (tCOD), ενώ τα ολικά αιωρούμενα στερεά (TSS) στην έξοδο είχαν τιμές συγκέντρωσης 35 και 65 mg/L αντίστοιχα. Για το πιλοτικό σύστημα HiCS τα αποτελέσματα έδειξαν ιδιαίτερα υψηλά ποσοστά απομάκρυνσης οργανικού φορτίου κατά τους τρεις πρώτους κύκλους (85, 90 και 86% ως προς tCOD) με τον δεύτερο κύκλο (SRT 2d, HRT 1h) να εμφανίζεται πιο αποδοτικός. Οι συγκεντρώσεις των TSS εξόδου του HiCS ήταν αντίστοιχα για τους τρεις πρώτους κύκλους 23, 20 και 44 mg/L. Βέβαια ιδιαίτερα σημαντική παράμετρος για τα υπό εξέταση συστήματα ήταν το ποσοστό και η ποσότητα εκτροπής του οργανικού φορτίου στο ρεύμα της ιλύος καθώς και τα ποιοτικά χαρακτηριστικά της. Για τον λόγο αυτό πραγματοποιήθηκαν πειράματα χαρακτηρισμού της πλεονάζουσας ιλύος με τη μέθοδο του προσδιορισμού του ρυθμού αποξυγόνωσης (O.U.R.) αλλά και κατασκευή του ισοζυγίου COD για τα υπό εξέταση συστήματα. Για το 3 σύστημα HiCAS τα υψηλότερα ποσοστά COD στην ιλύ εντοπίζονται στον πρώτο και τρίτο κύκλο με 34%, ενώ για το HiCS τα ποσοστά του COD στο ρεύμα της ιλύος ήταν 37, 44.5, 49 και 40,5 % αντίστοιχα για τον καθένα από τους τέσσερεις κύκλους λειτουργίας. Από τα πειράματα O.U.R. φάνηκε πως όσο κατευθυνόμασταν σε συνθήκες υψηλότερης οργανικής φόρτισης η συγκέντρωση του COD στην πλεονάζουσα ιλύ αυξανόταν. Για τους κύκλους λειτουργίας όπου εμφανίστηκαν αρκετά υψηλά ποσοστά COD εξόδου (HiCAS-2, HiCAS-4, HiCS-4) ενδέχεται να ευθύνεται η πολύ υψηλή συγκέντρωση βιομάζας που δημιουργήθηκε βάση των επιλεγόμενων λειτουργικών συνθηκών που οδήγησε σε διαφυγή ποσότητας της στην έξοδο των συστημάτων από την δεξαμενή τελικής καθίζησης (κυρίως σωματιδιακό COD). Τα χαρακτηριστικά καθίζησης της ιλύος παρουσίασαν τα βέλτιστα αποτελέσματα στον 4ο κύκλο λειτουργίας αμφότερων των δύο συστημάτων. Τέλος πραγματοποιήθηκε σύγκριση μεταξύ των συστημάτων HiCAS και HiCS για να εξεταστούν τα αποτελέσματα των δύο τεχνολογιών με δεδομένη εισερχόμενη παροχή λυμάτων και όγκο αντιδραστήρων σε κύκλους με όμοιους χρόνους επεξεργασίας (SRT και HRT). Φάνηκε το σύστημα HiCS να υπερτερεί σε συνθήκες χαμηλότερης οργανικής φόρτισης (SRT 2d, HRT 2h) ενώ το συμβατικό σύστημα HiCAS να έχει καλύτερα αποτελέσματα σε συνθήκες υψηλότερης οργανικής φόρτισης (SRT 1d, HRT 0,5h) όσον αφορά την απομάκρυνση οργανικού φορτίου. Το πιλοτικό σύστημα επαφής-σταθεροποίησης φαίνεται να εκτρέπει μεγαλύτερα ποσοστά COD στο ρεύμα της ιλύος σε σχέση με το συμβατικό σύστημα σε όλες τις συνθήκες που εξετάσθηκαν. Επίσης η ποσότητα της πλεονάζουσας ιλύος που απορρίπτεται καθημερινά είναι σημαντικά υψηλότερη στο σύστημα επαφής-σταθεροποίησης συγκριτικά με το συμβατικό, γεγονός που υποδηλώνει μεγαλύτερη δυνατότητα ενεργειακής ανάκτησης μέσω αναερόβιας χώνευσης της απορριπτόμενης ιλύος, ακόμα και αν η ιλύς του HiCAS έχει υψηλότερη συγκέντρωση βιοδιασπάσιμου COD. Βέβαια το σύστημα επαφής-σταθεροποίησης έχει αυξημένες ενεργειακές απαιτήσεις λόγω της επιπλέον δεξαμενής σταθεροποίησης όπως έδειξαν και τα αποτελέσματα για την ημερήσια ζήτηση των συστημάτων σε g O2.	el
heal.abstract	The main purpose of this postgraduate study is to investigate two pilot-scale wastewater treatment systems operating under high organic loading rate conditions. During the preparation of this postgraduate study, daily monitoring of the pilot scale systems was occurred on a variety of operational parameters (e.g. SRT, HRT, DO, SAS) but also on the performance of the systems in terms of organic load removal efficiencies (various COD fractions, BOD5, TSS). The ability to enrich the excess sludge with organic matter was also examined by enhancing the effect of specific COD removal mechanisms such as adsorption and intracellular storage. Sedimentation characteristics of the sludge were also investigated. In conclusion, the purpose of this study was to examine the performance of two high-rate pilot scale systems and also the effect of operating parameters variation throughout time, in order to draw conclusions that contribute to the complete optimization of their operation. For this reason, two high-rate activated sludge pilot-scale systems were designed and set in operation. The pilot-scale systems were demonstrated in a specially designed container at Psyttalia Wastewater Treatment Plant. The first system is a conventional high-rate system (HiCAS), which consists of a contact tank where all biological processes were performed and a final sedimentation tank in order to separate the treated wastewater from the mixed liquor. The second system is a high-rate Contact-Stabilization System (HiCS) and is essentially a variant form of the HiCAS system. The difference from HiCAS is that the returned sludge from the bottom of the sedimentation tank was first passed through a stabilization tank under aerobic conditions in order to increase its ability to remove organic substances in the contact tank. Municipal wastewater from a feed channel of Psyttalia was pumped into a systems-feed tank. The pump flow was 4 m3 / h with a working volume of 0.5 m3. Wastewater from the feed tank, flowed back into the Psyttalia’s supply channel through an appropriate layout mechanism. Two laboratory-scale peristaltic pumps were used to transport wastewater from the feed tank into the two systems. The trial operation of the two systems started on 30/06/2018 for one week while the date of normal operation with sewage was from 06/07/2018 until 21/6/2019. During this 2 study, four operating cycles of 113, 60, 90 and 75 days respectively were investigated. For each of the four operating cycles, a change in solids retention time (SRT) and hydraulic retention time (HRT) was occurred at increasingly shorter treatment conditions. During the first cycle, the SRT was set to 2d and the HRT to 2h. During the next two cycles, the HRT was reduced to 1 h while the SRT was set to 2 days and 1 day respectively. During the fourth cycle, the SRT was set again to 1 d while the HRT was reduced to 0.5 h. HiCAS pilot system results showed that the most efficient cycles to remove organic load were the first and the third with 79 and 71.5% removal rates in total COD (tCOD), while total suspended solids (TSS) in the effluent had concentration values of 35 and 65 mg / L, respectively. HiCS pilot system results showed particularly high organic load removal rates during the first three cycles (85, 90 and 86% tCOD) with the second cycle (SRT 2d, HRT 1h) being the most efficient. TSS outflow concentrations for the first three cycles were 23, 20 and 44 mg / L respectively. A particularly important parameter for the two HIRAS pilot-scale systems was the rate and amount of organic charge diverted to the sludge stream and its qualitative characteristics. For this reason, surplus sludge characterization experiments were carried out using the method of oxygen uptake rate (O.U.R.). In addition, COD mass balance was constructed for each operation cycle of the two systems. Regarding HiCAS system, the highest COD percentages in the sludge identified during the first and the third cycles of 34%, while for the HiCS the COD percentages in the sludge stream were 37, 44.5, 49 and 40.5%, respectively for each of the four operating cycles. Τhe O.U.R. experiments showed that as we headed towards higher organic loading rate conditions the concentration of COD in the excess sludge increased.The selected operating conditions for HiCAS-2, HiCAS-4 and HiCS-4 led to very high biomass concentrations. This might be responsible for the high concentrations of COD effluent due to leakage of solids in the effluent (mainly particulate COD). The 4th operation cycle of both systems, proved to be the most efficient in terms of sedimentation characteristics of the sludge. Finally, a comparison was made between HiCAS and HiCS in order to examine the results of the two technologies with a given incoming sewage supply and reactor volume, in cycles with similar processing times (SRT and HRT). The results 3 showed that HiCS system appeared to outperform at lower organic loading conditions (SRT 2d, HRT 2h) while the conventional HiCAS system performed better) in terms of organic charge removal at higher organic loading conditions (SRT 1d, HRT 0.5h. The contact-stabilization system appears to divert higher COD levels in the sludge stream than the conventional system under all conditions examined. Also, the amount of excess sludge discharged daily is significantly higher in the contact-stabilization system than conventional, which indicates greater energy recovery ability through anaerobic digestion of the disposed sludge, even if HiCAS sludge had higher COD concentration. Nevertheless, the contact-stabilization system has higher energy requirements due to the additional stabilization tank as shown by the results for the daily demand of the systems in g O2.	en
heal.advisorName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος
heal.committeeMemberName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος
heal.committeeMemberName	Ανδρεαδάκης, Ανδρέας
heal.committeeMemberName	Νάνου, Αικατερίνη
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	182
heal.fullTextAvailability	false