Προκαταρκτική διερεύνηση της εφαρμογής φυσικής ώσμωσης για τη συμπύκνωση υγρών αποβλήτων

Μητρογιάννη, Διονυσία; Mitrogianni, Dionysia

dc.contributor.author	Μητρογιάννη, Διονυσία	el
dc.contributor.author	Mitrogianni, Dionysia	en
dc.date.accessioned	2021-03-31T11:49:46Z
dc.date.available	2021-03-31T11:49:46Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/53227
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.20925
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-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
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	Φυσική ώσμωση	el
dc.subject	Διαχωρισμός μέσω μεμβρανών	el
dc.subject	Επεξεργασία υγρών αποβλήτων	el
dc.subject	Ανάκτηση πόρων	el
dc.subject	Συμπύκνωση υγρών αποβλήτων	el
dc.subject	Membrane separation	en
dc.subject	Forward osmosis	en
dc.subject	Wastewater treatment	en
dc.subject	Resource recovery	en
dc.subject	Wastewater concentration	en
dc.title	Προκαταρκτική διερεύνηση της εφαρμογής φυσικής ώσμωσης για τη συμπύκνωση υγρών αποβλήτων	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Περιβαλλοντική μηχανική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-03-08
heal.abstract	Αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας αποτελεί η προκαταρκτική διερεύνηση της εφαρμογής φυσικής ώσμωσης με στόχο τη συμπύκνωση αστικών υγρών αποβλήτων. Λόγω της αύξησης του παγκόσμιου πληθυσμού, της ανάπτυξης του βιομηχανικού κλάδου, της αυξημένης ζήτησης νερού στα αστικά κέντρα και της εντατικής γεωργικής δραστηριότητας, σε συνδυασμό με την κλιματική αλλαγή, είναι πλέον αντιληπτό ότι οι φυσικοί πόροι που χρησιμοποιούσε ανέκαθεν ο άνθρωπος δεν είναι ανεξάντλητοι. Για τους παραπάνω λόγους, πολλοί ερευνητές ανά τον κόσμο εστιάζουν σε ανεύρεση μεθόδων ανάκτησης νερού αλλά και πόρων, με χαμηλό ενεργειακό και περιβαλλοντικό αποτύπωμα, από μη συμβατικές πηγές, όπως είναι για παράδειγμα τα όμβρια ύδατα, τα υγρά απόβλητα και το θαλασσινό νερό. Εστιάζοντας στο ρεύμα των αστικών υγρών αποβλήτων, το σύστημα της ενεργού ιλύος εφαρμόζεται με επιτυχία περισσότερο από ένα αιώνα στις Εγκαταστάσεις Επεξεργασίας Λυμάτων (Ε.Ε.Λ.), διασφαλίζοντας τη δημόσια υγεία αλλά και την προστασία των υδάτινων αποδεκτών. Ωστόσο, το συμβατικό σύστημα ενεργού ιλύος χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερα υψηλή ενεργειακή κατανάλωση, κατατάσσοντας τις Ε.Ε.Λ. μεταξύ των μεγαλύτερων καταναλωτών ενέργειας, με ποσοστό που κυμαίνεται μεταξύ του 1-3% της συνολικά καταναλισκόμενης ενέργειας για τις αναπτυγμένες χώρες σε ετήσια βάση. Επιπλέον, οι Ε.Ε.Λ. χαρακτηρίζονται από ιδιαίτερα υψηλό αποτύπωμα άνθρακα, το οποίο αποδίδεται στις βιοχημικές διεργασίες οξείδωσης της οργανικής ύλης και έμμεσα στην κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Πιο συγκεκριμένα, απαιτούνται 0,3-0,5 kWh για την επεξεργασία 1 m3 αστικών λυμάτων με την εφαρμογή της συμβατικής μεθόδου της ενεργού ιλύος, ενώ η χημική ενέργεια και τα θρεπτικά που περιέχονται στα αστικά λύματα δεν αξιοποιούνται. Με στόχο την ανάκτηση πόρων χρησιμοποιείται ευρέως τα τελευταία χρόνια η τεχνολογία των μεμβρανών. Οι μεμβράνες ως τεχνολογία είναι εύχρηστες ως προς τη χρήση τους, ενώ χαρακτηρίζονται από τη δυνατότητα παραγωγής νερού υψηλής ποιότητας, κατάλληλου για ανθρώπινη και βιομηχανική χρήση. Ακόμα, μέσω των μεμβρανών, μπορεί να διαχωριστεί και να συμπυκνωθεί το φορτίο των θρεπτικών ουσιών που εμπεριέχονται στα υγρά απόβλητα, για μετέπειτα επεξεργασία με μειωμένο ενεργειακό κόστος. Από τις υπάρχουσες τεχνολογίες μεμβρανών, αυτή της αντίστροφης ώσμωσης και της νανοδιήθησης, αυξάνουν το κόστος της διεργασίας, καθώς απαιτείται η εφαρμογή υψηλής εξωτερικής υδραυλικής πίεσης, απαραίτητη για τις διεργασίες. Αντίθετα, μέσω της φυσικής ώσμωσης (Forward osmosis), η οποία δεν λειτουργεί βασιζόμενη σε εξωτερική πηγή υδραυλικής πίεσης, μπορεί να επιτευχθεί ικανοποιητική συμπύκνωση θρεπτικών ουσιών και ενέργειας για τους μικροοργανισμούς σε όρους χημικά απαιτούμενου οξυγόνου, για περεταίρω επεξεργασία και χρήση. Πιο συγκεκριμένα, πρόκειται για μία διεργασία που επιτρέπει τη διέλευση των μορίων νερού, μέσω μίας επιλεκτικής ημιπερατής μεμβράνης, από ένα διάλυμα χαμηλής συγκέντρωσης (υποτονικό) προς διάλυμα υψηλότερης συγκέντρωσης (υπερτονικό). Εφόσον δεν εφαρμόζεται εξωτερική πηγή υδραυλικής πίεσης, η ωθούσα δύναμη της διεργασίας είναι η διαφορά της ωσμωτικής πίεσης που χαρακτηρίζει τα εκάστοτε διαλύματα που χρησιμοποιούνται. Βασιζόμενοι στην αντικατάσταση των υφιστάμενων μεθόδων επεξεργασίας, με στόχο την ταυτόχρονη ανάκτηση πόρων, έχουν αναπτυχθεί συνδυαστικές διατάξεις αντιδραστήρων με συστήματα φυσικής ώσμωσης. Πρόκειται για ωσμωτικούς βιοαντιδραστήρες μεμβρανών που λειτουργούν είτε αερόβια είτε αναερόβια και για ένα συνδυαστικό σύστημα προ-συμπύκνωσης του ρεύματος τροφοδοσίας, το οποίο μετέπειτα επεξεργάζεται αναερόβια. Στην παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία χρησιμοποιήθηκε ένα εργαστηριακό σύστημα προ-συμπύκνωσης, στο οποίο διεξήχθησαν πειράματα συναρτήσει διαφορετικών λειτουργικών παραμέτρων για την αξιολόγηση της απόδοσής του. Συγκεκριμένα, αρχικά διερευνήθηκε η απόδοση του εργαστηριακού συστήματος φυσικής ώσμωσης με τη χρήση μεμβράνης σύνθετου λεπτού στρώματος (TFC) της εταιρείας Porifera, υπό την εφαρμογή απιονισμένου νερού ως διάλυμα χαμηλού ωσμωτικού δυναμικού και με διαλύματα NaCl και MgSO4 σε 2 ωσμωτικές πιέσεις και CaCl2 σε μία ωσμωτική πίεση ως υπερτονικά διαλύματα. Η εφαρμογή μεγαλύτερης ωσμωτικής πίεσης είχε ως αποτέλεσμα την επίτευξη υψηλότερων τιμών ροής διήθησης του νερού και διαλυμένης ουσίας διαμέσου της μεμβράνης, με τη μεγαλύτερη να σημειώνεται για το διάλυμα NaCl ωσμωτικής πίεσης 49 bar και ίση με 20,89 LMH και 6,87 GMH. Στη συνέχεια, με χρήση ίδιου τύπου μεμβράνης εξετάστηκε η ικανότητα συμπύκνωσης συνθετικών αστικών λυμάτων, ως προς το οργανικό φορτίο σε όρους COD, τα αμμωνιακά και ορθοφωσφορικά ιόντα, με χρήση διαλύματος NaCl σε μέση ωσμωτική πίεση 18,5 bar συναρτήσει διαφορετικών χρόνων παραμονής (6, 24 και 48 ωρών). Η αύξηση του χρόνου λειτουργίας από 6 σε 24 και 48 ώρες σημείωσε μείωση στην τιμή ροής διήθησης του νερού κατά 35% και 45%, αντίστοιχα. Το ποσοστό συμπύκνωσης του COD ήταν ίσο με 17% για το πείραμα των 6 ωρών και 43% για το πείραμα των 24 ωρών, ενώ δεν σημειώθηκε ικανοποιητική συμπύκνωση στο τέλος του πειράματος των 48 ωρών. Επιπλέον, με την ίδιου τύπου μεμβράνη εξετάστηκε η δυνατότητα συμπύκνωσης στραγγιδίων πρωτοβάθμιας παχυμένης ιλύος με χρήση διαλύματος NaCl σε μέση ωσμωτική πίεση 24,4 bar, για εκτεταμένη χρονική διάρκεια λειτουργίας, ίση με 96 και 169 ώρες. Η αύξηση του χρόνου λειτουργίας των πειραμάτων επέδρασε αρνητικά ως προς την ικανότητα συμπύκνωσης του συστήματος, καθώς λόγω έμφραξης της μεμβράνης αλλά και βιοδιάσπασης του προς συμπύκνωση οργανικού φορτίου παρουσιάσθηκε μείωση στην απόδοση της διεργασίας. Έπειτα, στην εργαστηριακή διάταξη φυσικής ώσμωσης χρησιμοποιήθηκε μεμβράνη τριοξικής κυτταρίνης (CTA). Τα πειράματα που έλαβαν χώρα με χρήση της συγκεκριμένης μεμβράνης είχαν ως στόχο τη συμπύκνωση συνθετικών αστικών λυμάτων με χρήση διαλύματος NaCl σε 2 ωσμωτικές πιέσεις για διαφορετική χρονική διάρκεια λειτουργίας. Αρχικά τα πειράματα διάρκειας από 96 έως 144 ώρες, σε μέση τιμή ωσμωτικής πίεσης περίπου ίσης με 29 bar και με χρήση της ίδιας μεμβράνης, σημείωσαν μέση τιμή ροής διήθησης νερού ίση με 4,78±0,45 LMH. Λόγω της σταδιακώς αυξανόμενης τιμής ροής άλατος εφαρμόσθηκε φυσικός καθαρισμός, με χρήση απιονισμένου νερού, και χημικός καθαρισμός, με χρήση διαλυμάτων NaOH και HCl, του συστήματος, που όμως οδήγησε στη μη ικανότητα επαναχρησιμοποίησης της συγκεκριμένης μεμβράνης. Το μέγιστο ποσοστό συμπύκνωσης που επιτεύχθηκε ήταν ίσο με 64,69% για το COD στο τέλος του 2ου πειράματος που πραγματοποιήθηκε υπό αυτές τις συνθήκες διάρκειας 96 ωρών, 96,47% για το αμμωνιακό άζωτο στις 120 ώρες του πειράματος συνολικής διάρκειας 144 ωρών, ενώ δεν σημειώθηκε ικανοποιητική συμπύκνωση των ορθοφωσφορικών ριζών. Αντίστοιχα, τα πειράματα με διάρκεια από 24 έως 46 ώρες, σε μέση τιμή ωσμωτικής πίεσης περίπου ίσης με 63 bar και με χρήση της ίδιας μεμβράνης CTA σε κάθε πείραμα, σημείωσαν μέση τιμή ροής διήθησης νερού ίση με 7,27±0,47 LMH και μέση τιμή ροής διήθησης άλατος ίση με 3,91±0,83 GMH. Το μέγιστο ποσοστό συμπύκνωσης που επιτεύχθηκε ήταν ίσο με 43,23% για το COD στο τέλος του πειράματος χρονικής διάρκειας 46 ωρών, 46,3% στις 24 ώρες του πειράματος συνολικής διάρκειας 46 ωρών για τα αμμωνιακά ιόντα και 44,96% για τα ορθοφωσφορικά στις 12 ώρες του τελευταίου πειράματος που πραγματοποιήθηκε, συνολικής διάρκειας 24 ωρών. Τέλος, στο πλαίσιο της προκαταρκτικής διερεύνησης της εργαστηριακής διάταξης που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάστηκε η βέλτιστη χρονική διάρκεια λειτουργίας του συστήματος, με χρήση μεμβράνης CTA, συνθετικών αστικών λυμάτων ως υποτονικό διάλυμα και διαλύματος NaCl σε ωσμωτική πίεση ίση με 63 bar ως υπερτονικό. Το προαναφερθέν πείραμα είχε χρονική διάρκεια 24 ώρες, όπου παρατηρήθηκε ότι η οργανική ύλη εντός του υποτονικού διαλύματος σε όρους μάζας, μειώνεται σημαντικά μετά το πέρασμα των 20 ωρών, σε ποσοστό που φτάνει το 63%. Συνεπώς, η βέλτιστη χρονική διάρκεια βρέθηκε ίση με 12 ώρες καθώς στο διάστημα αυτό σημειώθηκαν τα μέγιστα ποσοστά συμπύκνωσης του οργανικού φορτίου, των αμμωνιακών και ορθοφωσφορικών ιόντων και ίσα με 18,12%, 6,27% και 44,96%, αντίστοιχα για κάθε παράμετρο, ενώ μετά το πέρας των 12 ωρών σημειώθηκε μείωση στην ικανότητα συμπύκνωσης του συστήματος. Συμπερασματικά, η απόδοση της συγκεκριμένης εργαστηριακής διάταξης ως προς τη συμπύκνωση υγρών αποβλήτων ήταν ικανοποιητική. Ωστόσο, θα πρέπει να σημειωθεί ότι βάσει των πειραματικών αποτελεσμάτων σημαντικό ρόλο στην ικανότητα του συστήματος για συμπύκνωση διαδραματίζει ο χρόνος λειτουργίας, η συγκέντρωση του εκάστοτε υπερτονικού διαλύματος και το είδος της μεμβράνης. Για τους λόγους αυτούς, απαιτείται περεταίρω έρευνα προκειμένου να καθοριστούν οι βέλτιστες λειτουργικές συνθήκες του εν λόγω συστήματος και να αξιολογηθεί σωστά η απόδοση της διεργασίας της φυσικής ώσμωσης.	el
heal.abstract	The main purpose of this master’s thesis is the preliminary investigation of the application of the forward osmosis aiming to concentrate municipal wastewater. Due to the growth of the world population, the development of industry, the increased demand for water in urban centers and the intensive agricultural activity, combined with the climate change, it is now understood that the natural resources that mankind has always used are not inexhaustible. Consequently, the global research community is focusing on finding new methods of water and resource recovery, which will be characterized by low energy and environmental footprint, from non-conventional sources such as rainwater, wastewater and seawater. Focusing on the municipal wastewater stream, the activated sludge system has been successfully applied for more than a century in the Wastewater Treatment Plants (WWTPs), ensuring public health and the protection of water recipients. However, the conventional activated sludge (CAS) system is characterized by particularly high energy consumption, ranking the WWTPs among the largest energy consumers with a rate equal to 1-3% of the total energy consumed in developed countries on an annual basis. In addition, the WWTPs are characterized by a particularly high carbon footprint due to the biochemical oxidation of organic matter and indirectly to the consumption of electricity. More specifically, 0.3-0.5 kWh are required for the treatment of 1 m3 of municipal wastewater by applying the CAS process, while the chemical energy and nutrients contained in municipal wastewater are not utilized. In recent years, membrane technology has been widely used to enhance the resource recovery from wastewater. In general, membranes as a technology are easy to use, while they are characterized by the ability to produce high quality water, suitable for human and industrial use. In addition, through the membranes, the load of nutrients contained in the wastewater can be separated and further concentrated, for subsequent treatment with reduced energy costs. The existing membrane technologies, reverse osmosis and nanofiltration, increase the cost of the process, as they require the application of external hydraulic pressure, necessary for the aforementioned processes. On the contrary, through forward osmosis, which does not operate based on an external source of hydraulic pressure, a satisfactory concentration of nutrients and energy can be achieved in terms of chemical oxygen demand (COD) for further processing and use. More specifically, it is a process that allows the passage of water molecules, through a selective impermeable membrane, from a low concentration solution (feed solution) to a higher concentration solution (draw solution). If no external hydraulic pressure source is applied, the driving force of the process is the difference in osmotic pressure, which characterizes the respective solutions used. Based on the replacement of existing treatment methods, aiming at simultaneously recovering resources, combined reactor configurations with forward osmosis systems have been developed. These configurations include osmotic membrane bioreactors that operate either aerobically or anaerobically and a combined pre-concentration system of the feed stream, which is then treated anaerobically. In the present master thesis, a bench scale pre-concentration system was used, in which experiments were performed according to different functional parameters to evaluate its performance. Specifically, the efficiency of the forward osmosis lab-scale system was initially investigated using Porifera's thin film membrane (TFC), with deionized water applied as a feed solution of low osmotic gradient and with NaCl and MgSO4 solutions at 2 different osmotic pressures and CaCl2 solution as draw agents. The application of higher osmotic pressure resulted in the achievement of higher filtration flow rates of water and solute through the membrane, with the highest rate being noted for the NaCl solution of osmotic pressure 49 bar and equal to 20.89 LMH and 6.87 GMH. Then, using the same type of membrane, the concentration capacity of synthetic municipal wastewater was examined, in terms of COD, ammonium nitrogen and orthophosphate ions, using NaCl solution at an average osmotic pressure of 18.5 bar depending on different retention times (6, 24 and 48 hours). Increasing the operating time from 6 to 24 and 48 hours resulted in the decrease in the water filtration flow rate by 35% and 45%, respectively. The concentration rate of COD was 17% for the 6-hour experiment and 43% for the 24-hour experiment, while there was no satisfactory concentration noted at the end of the 48-hour experiment. Additionally, using the same type of membrane, the possibility of concentrating supernatant of primary thickened sludge using NaCl solution at an average osmotic pressure of 24.4 bar, for an extended operating time of 96 and 169 hours, was examined. The increase of the operating time of the experiments had a negative effect on the concentration capacity of the system, as due to the fouling of the membrane and the biodegradation of the organic matter, a decrease the process efficiency was recorded. Triacetate Cellulose Membrane (CTA) was then used in the forward osmosis lab-scale system. The experiments that took place using this membrane aimed at concentrating synthetic municipal wastewater using NaCl solution at 2 osmotic pressures for different operating times. Initially, experiments lasting from 96 to 144 hours, at an average osmotic pressure value of approximately 29 bar using the same membrane, noted an average water flux of 4.78 ± 0.45 LMH. Due to the gradually increase of reverse solute flux, physical cleaning, using deionized water, and chemical cleaning, using NaOH and HCl solutions, were applied to the system, which, led to the inability of reusing this membrane. The maximum concentrations achieved were 64.69% for the COD at the end of the 2nd experiment performed under these 96-hour conditions, 96.47% for the ammonium nitrogen at 120 hours of the 144-hour experiment, while there was no satisfactory concentration of orthophosphate ions. Respectively, the experiments lasting from 24 to 46 hours, at an average osmotic pressure value of approximately 63 bar and using the same CTA membrane in each experiment, noted an average water flux equal to 7.27 ± 0.47 LMH and average reverse salt flux equal to 3.91±0.83 GMH. The maximum concentrations achieved were 43.23% for the COD at the end of the 46-hour experiment, 46.3%, in the 24 hours of the experiment lasting a total of 46 hours for ammonium nitrogen and 44.96% for the orthophosphate in the 12 hours of the last experiment performed, lasting a total of 24 hours. Finally, in the context of the preliminary investigation of the lab-scale system used in this study, the optimal operating time of the system was examined, using CTA membrane, synthetic municipal wastewater as a feed solution and NaCl solution at an osmotic pressure of 63 bar as draw solution. The above experiment had a duration of 24 hours, in which it was observed that the organic matter of the feed solution, decreases significantly after the passage of 20 hours, at a rate reaching 63%. Therefore, the optimal duration was found to be equal to 12 hours as during this period the maximum concentrations of organic load, ammonia and orthophosphate ions were noted and are equal to 18.12%, 6.27% and 44.96%, respectively for each parameter, while after the end of 12 hours there was a decrease in the concentration capacity of the system. In conclusion, the performance of the laboratory device used for the concentration of wastewater was satisfactory. However, it should be noted that based on the experimental results, the operating time, the concentration of the respective draw solution and the membrane’s material play an important role in the concentration efficiency of the system. Consequently, further research should be carried out in order to determine the optimal operating conditions of this system and to evaluate the efficiency of the forward osmosis process.	en
heal.advisorName	Μαλαμής, Συμεών-Αλέξανδρος	el
heal.committeeMemberName	Μαλαμής, Συμεών-Αλέξανδρος	el
heal.committeeMemberName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Παπακωνσταντής, Ηλίας	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	157 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false