Αξιολόγηση συστημάτων ενεργού ιλύος υψηλής οργανικής φόρτισης μέσω εργαστηριακής προσομοίωσης

Τούμπας, Παύλος; Toumpas, Pavlos

dc.contributor.author	Τούμπας, Παύλος	el
dc.contributor.author	Toumpas, Pavlos	en
dc.date.accessioned	2020-12-08T16:59:43Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/52385
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.20083
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υδατικών Πόρων”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Ενεργός ιλύς	el
dc.subject	Υψηλή οργανική φόρτιση	el
dc.subject	Λύματα	el
dc.subject	Επεξεργασία λυμάτων	el
dc.subject	Κροκίδωση	el
dc.subject	High rate	en
dc.subject	Flocculation	en
dc.subject	Wastewater treatment	en
dc.subject	Wastewaters	en
dc.subject	Activated sludge	en
dc.title	Αξιολόγηση συστημάτων ενεργού ιλύος υψηλής οργανικής φόρτισης μέσω εργαστηριακής προσομοίωσης	el
dc.title	Evaluation of high rate activated sludge systems through laboratory simulation	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Περιβαλλοντική τεχνολογία	el
heal.classification	Environmental technology	en
heal.dateAvailable	2021-12-07T22:00:00Z
heal.access	embargo
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-07-08
heal.abstract	Με το πέρασμα των χρόνων γίνεται ολοένα και πιο επιτακτική η ανάγκη για εξοικονόμηση πόρων από την επεξεργασία των λυμάτων. Το ενδιάφερον εστιάζεται όχι μόνο στην επαναχρησιμοποίηση του νερού, αλλά και στην μείωση του ενεργειακού αποτυπώματος, είτε μέσω της μείωσης της κατανάλωσης είτε με παραγωγή ενέργειας μέσω διεργασιών όπως αναερόβια χώνευση, καθώς και στη μείωση των εκπομπών αερίων θερμοκηπίου των εγκαταστάσεων. Μια από τις τεχνολογίες που έχουν αναπτυχθεί προς την κατεύθυνση αυτή είναι η επεξεργασία λυμάτων με συστήματα ενεργού ιλύος υψηλής οργανικής φόρτισης (HRAS). Στόχος των συστημάτων αυτών είναι η επεξεργασία σε μικρούς υδραυλικούς χρόνους παραμονής και υψηλές τιμές οργανικής φόρτισης, με συνέπεια την ελαχιστοποίηση της οξείδωσης του εισερχόμενου οργανικού κλάσματος και, μέσω της προσρόφησης και της κυτταρικής αποθήκευσης στη βιομάζα, μεγιστοποίηση της συγκράτησής του στην ιλύ που απομακρύνεται μετά την καθίζηση. Τελικά, η περίσσεια ιλύος που είναι πλούσια σε οργανικό υλικό, μετά από αναερόβια χώνευση, μπορεί να δώσει πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα στην παραγωγή βιοαερίου. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, έγινε η παρακολούθηση της λειτουργίας δύο συστημάτων ενεργού ιλύος υψηλής οργανικής φόρτισης. Το πρώτο, ένα συμβατικό σύστημα υψηλής φόρτισης (HiCAS) αποτελείται από μια δεξαμενή επαφής (CT) (βιολογικός αντιδραστήρας) και μια δεξαμενή καθίζησης, με ανακυκλοφορία της ιλύος, ίση της παροχής. Το δεύτερο, που είναι σύστημα επαφής σταθεροποίησης (HiCS) έχει ίδια διάταξη με το συμβατικό, με μόνη διαφορά ότι το ρεύμα της ανακυκλοφορίας (ίση με 1,5Q), καταλήγει σε μια επιπλεόν δεξαμενή σταθεροποίησης (ST), πριν εισέλθει στη δεξαμενή επαφής. Στο συμβατικό σύστημα μελετήθηκαν δύο περίοδοι λειτουργίας χωρίς προσθήκη κροκιδωτικού (HiCAS E - HiCAS F) και μία περίοδος με προσθήκη κροκιδωτικού, ενώ στο σύστημα επαφής σταθεροποίησης μελετήθηκε μια περίοδος λειτουργίας (HiCS E). To HiCAS E λειτούργησε με SRT 0.5d και HRT 0.5h (OLR = 9.18 kg COD/kgVSS-d), ενώ το HiCAS F με SRT 0.22d HRT 0.5h (OLR = 14.4 kg COD/kgVSS-d) . Στο HiCS E εφαρμόστηκαν συνθήκες SRT 1d και HRT 2h (1h CT/1h ST) (OLR = 9.5 kg COD/kgVSS-d), ενώ στη δεξαμενή επαφής επικρατούσαν αναερόβιες συνθήκες. Τα αποτελέσματα της λειτουργίας των δύο συστημάτων συγκρίθηκαν μεταξύ τους, καθώς και με τα αποτελέσματα παλαιότερης εργασίας. Αρχικά, στην εκροή του συμβατικού συστήματος, παρατηρήθηκαν μικρότερες συγκεντρώσεις COD και TSS στο HiCAS Ε, σε σχέση με το HiCAS F, ενώ το μεγαλύτερο ποσοστό του COD εξόδου ανήκει στο σωματιδιακό κλάσμα. Ο κύκλος F, λόγω της αύξησης της οργανικής φόρτισης, παρουσιάζει μείωση της οξείδωσης του οργανικού κλάσματος που εισέρχεται και μεγαλύτερο συντελεστή απόδοσης βιομάζας Υ, σε σχέση με τον κύκλο E. Επίσης, λόγω των υψηλών φορτίσεων, η συνοχή των κροκίδων δεν είναι καλή, με συνέπεια να εμφανίζεται αρκετά μεγάλο ποσοστό της παραγόμενης βιομάζας στην εκροή. Με βάση τα πειράματα αερόβιας σταθεροποίησης (OUR), για τις δύο περιόδους, προκύπτουν παρόμοια αποτελέσματα, όσον αφορά την ποιότητα της παραγόμενης ιλύος, αφού το οργανικό κλάσμα που καταλήγει στην ιλύ βρέθηκε 710 mgCOD/gVSSπλ.ιλύος και 700 mgCOD/gVSSπλ.ιλύος για τους κύκλους Ε και F, αντίστοιχα. Από πειράματα BMP, σημειώθηκε αύξηση παραγωγής βιοαερίου με την αύξηση της οργανικής φόρτισης, με την ποιότητα της ιλύος στην τελευταία περίοδο να προσεγγίζει χαρακτηριστικά πρωτοβάθμιας ιλύος. Το βιοαέριο που παρήχθη ήταν της τάξεως των 0.069-0.107 m3 βιοαερίου/kg CODΕΙΣ. Τέλος, οι τιμές της ζήτησης οξυγόνου για τα συστήματα HiCAS είναι πολύ χαμηλές (0.08-0.13 kg O2/kg CODΕΙΣ). Όσον αφορά τα συστήματα HiCS, στην αναερόβια λειτουργία σημειώνεται μείωση της απόδοσης στην απομάκρυνση COD και παράλληλα, αύξηση των συγκεντρώσεων στην εκροή, σε σύγκριση με την αερόβια λειτουργία (παλαιότερα πειράματα). Επίσης, στον πέμπτο κύκλο μειώνεται κατά περίπου 10% η οξείδωση του οργανικού υλικού, λόγω των αναερόβιων συνθηκών. Τα ποσοστά της βιομάζας που καταλήγουν στην ιλύ είναι πολύ υψηλά (>80%) για τα δύο συστήματα HiCS, παρόλα αυτά η ιλύς του αερόβιου είναι κατά περίπου 40% πιο πλούσια σε βιοδιασπάσιμο οργανικό υλικό, σύμφωνα με τα πειράματα OUR, και αυτό επιβεβαιώνεται και με το μειωμένο δυναμικό παραγωγής βιοαερίου στο HiCS E, κατά την αναερόβια σταθεροποίηση. Τέλος, όπως είναι αναμενόμενο, οι απαιτήσεις σε οξυγόνο μειώνονται στο αναερόβιο σύστημα. Συγκρίνοντας τα συστήματα για όλους τους κύκλους, η γενική εικόνα είναι ότι όσο αυξάνεται η οργανική φόρτιση, τόσο αυξάνονται οι συγκεντρώσεις των TSS και COD στην εκροή, ενώ η οξείδωση του οργανικού φορτίου μειώνεται. Μελετώντας την ποιότητα της πλεονάζουσας ιλύος, με την αύξηση της οργανικής φόρτισης παρατηρείται αύξηση του βιοδιασπάσιμου κλάσματος που καταλήγει στην ιλύ καθώς και της δυναμικότητας στην παραγωγή βιοαερίου, ενώ παράλληλα, μειώνεται η ζήτηση οξυγόνου. Τέλος, η ποσότητα της λάσπης είναι πολύ μεγάλη σε όλους τους κύκλους HiCS, ενώ στα HiCAS αυξάνεται με την αύξηση της οργανικής φόρτισης. Στη λειτουργία του συμβατικού συστήματος με προσθήκη κροκιδωτικού, επιλέχθηκε η χρήση τριχλωριούχου σιδήρου (FeCl3), για την μεγιστοποίηση της κατακράτησης των αιωρούμενων στερεών στην ιλύ που απομακρύνεται. Οι δόσεις που εφαρμόστηκαν ήταν των 5, 10 και 20 mg/L, ωστόσο μόνο στην τελευταία προέκυψαν τα επιθυμητά αποτελέσματα, πετυχαίνοντας συγκεντρώσεις TSS στην εκροή 25mg/L και κατακράτηση του 90% της παραγόμενης βιομάζας στην ιλύ. Σημειώνεται ότι με βάση πειράματα batch που πραγματοποιήθηκαν, η υπολογιζόμενη δόση ήταν περίπου 5 mg/L. Το γεγονός ότι στο σύστημα συνεχούς ροής τελικά απαιτήθηκε η τετραπλάσια δόση, αλλά και η παρατήρηση μαύρου χρώματος στον αντιδραστήρα, υποδεικνύει την παρουσία σουλφιδίων στα λύματα (επαληθεύτηκε με μέτρηση διαλυτών σουλφιδίων στα 0.7 mg/L). Πιθανότατα μέρος του προστιθέμενου σιδήρου δεσμευόταν για αντιδράσεις με τις θειούχες ενώσεις των λυμάτων, με συνέπεια τη μειωμένη κροκίδωση. Τέλος, το οικονομικό κόστος για τη χρήση κροκιδωτικού στο σύστημα HiCAS υπολογίστηκε σε 0.03 €/m3. Συμπερασματικά, φαίνεται ότι τα συστήματα υψηλής φόρτισης πετυχαίνουν καλές αποδόσεις, σε υψηλές οργανικές φορτίσεις, ελαχιστοποιώντας την οξείδωση του οργανικού κλάσματος και τη ζήτηση οξυγόνου. Η ποσότητα και η ποιότητα της παραγόμενης ιλύος είναι ικανοποιητική και μπορεί να μεγιστοποιηθεί είτε με την προσθήκη κροκιδωτικού, είτε με άλλες μεθόδους που θα μπορούσαν να μελετηθούν στο μέλλον.	el
heal.abstract	The need for resource saving coming from the waste processing is becoming more and more imperative throughout the years. The interest is focused not only in the water reuse but also in the reduction of the energy footprint either via the reduction of consumption or via the energy production through procedures such as anaerobic digestion and reduction of greenhouse gas emissions of the premises. One of the technologies developed in this area is the waste processing with High Rate Activated Sludge systems (HRAS). The aim of these systems is the processing in short hydraulic residence time and high rates of organic loading resulting in the minimal oxidization of the incoming organic fraction and through the adsorption and the intracellular storage of the biomass in the maximization of its retention in the sludge that removes after the sedimentation. Finally, the excess sludge that is rich in organic material, after the anaerobic digestion, can give very satisfying results in the production of biogas. The function of two HRAS systems were examined in the frame of this study. The first one, a conventional system of high organic loading rate (HiCAS) consists of a contact tank (CT) (bioreactor) and a sedimentation tank with recycled sludge equal to the inflow. The second one that is a contact stabilization system (HiCS) has the same structure as the conventional one with the main difference that the recycled current (equal to 1.5Q) results in an extra stabilization tank, before it flows into the contact tank. Two function periods were studied in the conventional system; one period without flocculant addition and one period with flocculant addition while in the contact stabilization system only one function period was studied (HiCS E). The HiCAS E functioned with SRT 0.5d and HRT 0.5h (OLR = 9.18kg COD/kg VSS-d), while the HiCAS F with SRT 0.22d HRT 0.5h (OLR = 14.4 kg COD/kg VSS-d). In HiCS E conditions of SRT 1d and ΗRΤ 2h (1h CT/1h ST) (OLR = 9.5 kg COD/kg VSS-d) were applied while in the contact tank there were anaerobic conditions. The results of the function of the two systems were compared to each other as well as to the results of a previous study. Initially in the outflow of the conventional system, smaller concentrations of COD and TSS in HiCAS E were observed in relation to the HiCAS F, while the biggest percentage of the COD outflow belongs to the particle function. In relation to the session F, because of the organic charge increase, presents a reduction of the organic fraction oxidization that inflows and a bigger observed yield (Yobs). Additionally, because of high charges, the consistency of the flocs is not satisfying, thus resulting in a quite big percentage of biomass produced in the outflow. Having taken into consideration aerobic stabilization experiments (OUR) for the two periods, there are similar results regarding the quality of the sludge produced since the organic function that results in the sludge was found to be 710mg COD/g VSS and 700mg COD/g VSS for the sessions E and F, respectively. In BMP experiments conducted, it was notified that there was an increase in biogas production increasing the organic loading, with the quality of the sludge approaching characteristics of first grade sludge in the last period. The biogas produced was 0.069 – 0.107 m3 biogas/kg CODin. Finally, the oxygen demand rates for the HiCAS systems are very low (0.08 – 0.13kg O2/kg CODin). Regarding the HiCS systems, it is notified that in the anaerobic function there is a reduction of the efficiency during the COD removal while, at the same time, there is an increase of the concentrations in the outflow compared to the anaerobic function (previous experiments). Moreover, in the fifth session, there is a 10% reduction in the oxidization of the organic material due to the anaerobic conditions. The biomass percentages that result in the sludge are considerably high (>80%) for the two HiCS systems. However, according to our experiments the anaerobic sludge is approximately 40% richer in biodegradable organic material and this is confirmed by the reduced force of biogas production in HiCS E, during the anaerobic system. Finally, as it is expected, the oxygen requirements get reduced in the anaerobic system. Comparing the systems of all sessions, there is a general view that the bigger the organic loading is, the bigger the TSS and COD concentrations are in the outflow, while the oxidization of the organic loading is less. Studying the quality of the excess sludge, it is observed that with the increase of the organic loading there is an increase of the biodegradable fraction that results in the sludge as well as in the force of the biogas production while at the same time, there is a reduction in oxygen requirement. Lastly, the quantity of the sludge is considerably high in all HiCS sessions while in HiCAS it is increasing with the organic loading increase. In the function of the conventional system with flocculant addition, the use of ferric chloride (FeCl3) was chosen so as to achieve the maximization of the suspended solids retention in the sludge that is removed. The doses that were applied were of 5, 10 and 20 mg/L, however only in the last one there were the required results, achieving TSS concentrations of 25 mg/L in the outflow and 90% of retention in the produced biomass in the sludge. It is notified that according to batch experiments that were conducted, the estimated dose was approximately 5mg/L. The fact that in the continuous flow system the quadruple dose was lastly required and also the notification of black colour in the reactor, indicates the presence of sulphides in the wastewaters. It was verified with a measurement of soluble sulphides in 0.7mg/L. Probably part of the added iron was engaged for reactions with the sulphur compounds of the waste, resulting in reduced flocculation. Finally, the cost for the use of flocculant in the HiCAS system was estimated in 0.03€/m3. In conclusion, it seems that the HRAS systems achieve good performance in high organic loading rates minimizing the oxidization of the organic fraction and the oxygen demand. The quantity and quality of the produced sludge is satisfying and can be maximized either by the addition of coagulant or by using other procedures that could be studied in the future.	en
heal.advisorName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Παπακωνσταντής, Ηλίας	el
heal.committeeMemberName	Ανδρεαδάκης, Ανδρέας	el
heal.academicPublisher	Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	133 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false