Αξιολόγηση του ενεργειακού αποτυπώματος συστημάτων βιοαντιδραστήρα μεμβρανών για την επεξεργασία αστικών λυμάτων

Παπουτσάκης, Θεόδωρος; Papoutsakis, Theodoros

dc.contributor.author	Παπουτσάκης, Θεόδωρος	el
dc.contributor.author	Papoutsakis, Theodoros	en
dc.date.accessioned	2022-01-21T08:05:34Z
dc.date.available	2022-01-21T08:05:34Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/54398
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.22096
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/gr/	*
dc.subject	Συστήματα βιοαντιδραστήρα μεμβρανών	el
dc.subject	Επεξεργασία λυμάτων	el
dc.subject	Ενεργειακή σύγκριση	el
dc.subject	Ενεργειακό αποτύπωμα	el
dc.subject	Αποτίμηση μοναδών	el
dc.subject	Membrane bioreactor systems	en
dc.subject	Wastewater treatment	en
dc.subject	Energy comparison	en
dc.subject	Energy footprint	en
dc.subject	Unit valuation	en
dc.title	Αξιολόγηση του ενεργειακού αποτυπώματος συστημάτων βιοαντιδραστήρα μεμβρανών για την επεξεργασία αστικών λυμάτων	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Επαναχρησιμοποίηση λυμάτων	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-11-11
heal.abstract	Η χρήση των επεξεργασμένων αστικών λυμάτων είναι βασική ανάγκη των σύγχρονων κοινωνιών υποστηριζόμενη από σχετικά νομοθετικά πλαίσια. Η επεξεργασία αστικών λυμάτων σε μονάδες βιοαντιδραστήρων μεμβρανών (MBR) έχει αποδειχθεί σημαντική τόσο σε μικρή όσο και σε μεγάλη κλίμακα. Τα συστήματα MBR αποτελούνται από τους βιολογικούς αντιδραστήρες όπου λαμβάνουν χώρα κανονικά οι βιολογικές διεργασίες (οξείδωση βιολογικού φορτίου, νιτροποίηση, απονιτροποίηση κ.λ.π.) και τις μεμβράνες μικροδιήθησης ή υπερδιήθησης με τις οποίες επιτυγχάνεται η διαύγαση των λυμάτων με τη διεργασία της διήθησης. Η βασική διαφοροποίηση του συστήματος MBR σε σύγκριση με τα συμβατικά συστήματα επεξεργασίας λυμάτων είναι η κατάργηση της δεξαμενής τελικής καθίζησης, καθώς ο διαχωρισμός της τελικής εκροής από την αιωρούμενη βιομάζα επιτυγχάνεται με τις μεμβράνες. Τα βασικότερα πλεονεκτήματα της τεχνολογίας συστήματος βιοαντιδραστήρα μεμβρανών (MBR) σε σχέση με τα συμβατικά συστήματα βιολογικής επεξεργασίας ενεργού ιλύος, είναι η εξοικονόμηση χώρου της εγκατάστασης, η υψηλότερη ποιότητα επεξεργασμένης εκροής και η υψηλή απομάκρυνση μικροβιακού φορτίου. Το μεγάλο πρόβλημα αυτών των εγκαταστάσεων είναι η έμφραξη των μεμβρανών, η οποία απαιτεί μια σειρά μέτρων καθαρισμού όπως είναι η έκπλυση και ο αερισμός των μεμβρανών καθώς και ο χημικός καθαρισμός. Οι υψηλές απαιτήσεις σε αερισμό των μεμβρανών για τον περιορισμό της έμφραξης έχει ως αποτέλεσμα το σύστημα MBR να χαρακτηρίζεται από υψηλές ενεργειακές απαιτήσεις. Στόχος της επιστημονικής κοινότητας είναι να μειωθεί σημαντικά η κατανάλωση αέρα για τον καθαρισμό των μεμβρανών σε αυτά τα συστήματα. Ο βασικός στόχος της εργασίας είναι η διερεύνηση του ενεργειακού αποτυπώματος των συστημάτων MBR για την επεξεργασία αστικών λυμάτων. Αναλυτικότερα, αρχικά μέσω της βιβλιογραφικής ανασκόπησης καταγράφηκαν τα σημαντικότερα στοιχεία λειτουργίας των συγκεκριμένων συστημάτων, οι παράγοντες οι οποίοι ευθύνονται για το πρόβλημα της έμφραξης και η σύνδεσή τους με την ενεργειακή κατανάλωση. Παράλληλα παρουσιάστηκαν και αναλύθηκαν συμβατικοί και καινοτόμοι τρόποι αντιμετώπισης της έμφραξης με στόχο την συγκριτική τους αξιολόγηση. Επιπλέον έμφαση δόθηκε στην περιβαλλοντική αποτίμηση των συστημάτων MBR σχετικά με τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου. Εντός του συγκεκριμένου πλαισίου δομήθηκε ένα θεωρητικό μοντέλο υπολογισμού της ενεργειακής κατανάλωσης για συμβατικές μονάδες και μονάδες βιοαντιδραστήρα μεμβρανών με στόχο την ενεργειακή αποτίμηση των δύο συστημάτων για την επεξεργασία αστικών λυμάτων και την εξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων. Για την ενεργειακή σύγκριση των δύο συστημάτων αρχικά συλλέχτηκαν στοιχεία από μονάδες MBR και CAS ανά τον κόσμο και κατηγοριοποιήθηκαν σε δύο ομάδες με βάση τον ισοδύναμο πληθυσμό (Ι.Π.) τον οποίο εξυπηρετούν (Ι.Π.<10000 και Ι.Π.>10000). Στην συνέχεια αναπτύχθηκε ένα μοντέλο αποτίμησης της ενεργειακής κατανάλωσης για μονάδες MBR και CAS με εξυπηρετούμενο Ι.Π από 2000 έως 200000 όπου για Ι.Π.<20000 θεωρήθηκε ότι η εγκατάσταση δεν έχει πρωτοβάθμια καθίζηση και αναερόβια χώνευση. Μέσω του μοντέλου πραγματοποιήθηκαν συγκρίσεις μεταξύ μονάδων MBR και CAS, μονάδων MBR με και χωρίς πρωτοβάθμια καθίζηση και αναερόβια χώνευση καθώς και μονάδων MBR με διαφορετικούς κύκλους λειτουργείας αερισμού των μεμβρανών. Πιο συγκεκριμένα οι παράμετροι οι οποίοι μελετήθηκαν ήταν οι ενεργειακές καταναλώσεις, οι όγκοι των δεξαμενών και η κατανομή των ενεργειακών καταναλώσεων. Μέσω των ανωτέρων συγκρίσεων επιβεβαιώθηκε ότι οι μονάδες MBR έχουν μεγαλύτερη ενεργειακή κατανάλωση σε σύγκριση με τα CAS, 0.70 kWh/m3 και 0.35 kWh/m3 αντίστοιχα η οποία οφείλεται στις απαιτήσεις για αερισμό των μεμβρανών αλλά και η εξοικονόμηση εκτάσεων γης λόγω της απαίτησης μικρότερου όγκου δεξαμενών. Επίσης τα αποτελέσματα έδειξαν πως οι μονάδες οι οποίες δεν έχουν δεξαμενή πρωτοβάθμιας καθίζησης καταναλώνουν 15% περισσότερη ενέργεια. Τόσο στις μονάδες CAS όσο και στις μονάδες MBR τα συστήματα που εξυπηρετούν μεγαλύτερο ΙΠ εμφανίζουν χαμηλότερη ενεργειακή κατανάλωση σε kWh/m3 επεξεργασμένων λυμάτων. Τέλος η μείωση του χρόνου αερισμού των μεμβρανών κατά 20% προκάλεσε μείωση της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης κατά 7%.Τα αποτελέσματα του θεωρητικού μοντέλου συγκλίνουν σε ικανοποιητικό βαθμό με τα πραγματικά δεδομένα όπως η λογαριθμική σχέση μεταξύ ενεργειακής κατανάλωσης (kWh/m3) και ισοδύναμου πληθυσμού καθώς και η κατανομή της ενεργειακής κατανάλωσης. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν την κρισιμότητα για εύρεση πιο αποδοτικών τρόπων για καθαρισμό των μεμβρανών καθώς και την οπτική δημιουργίας μεγαλύτερων και πιο αποδοτικών μονάδων για την επεξεργασία των αστικών λυμάτων.	el
heal.abstract	Reuse of treated wastewater is basic need of modern societies supported from relatively legislative frames. The implementation of MBR installations for municipal wastewater treatment has been proved important in full-scale plants. This technology consists of an alternative system of wastewater treatment, instead of the conventional activated sludge (CAS), which is usually employed and is known as Membrane Bioreactor (MBR). MBR systems consist of the biological reactors where all the biological processes take place (e.g. oxidation of organic matter, nitrification, denitrification etc) and the membrane units where the solid/liquid separation takes place. The main difference of the MBR system compared to conventional wastewater treatment systems is the elimination of the settling tank, as the separation of the final effluent from the suspended biomass is achieved with the membranes. The main advantages of membrane bioreactors (MBR) over the conventional biological treatment systems, are the small needs of space, and the effluent’s high and stable quality resulting from the complete retention of suspended solids and the physical removal of pathogens. The big challenge of MBR installations is membrane fouling, which need intensive air flow for the cleaning of membranes and consequently requires high energy consumption. Internationally research has focused on tackling and reducing energy consumption in MBRs. The main objective of the work is to investigate the energy footprint of MBR systems for wastewater treatment. More specifically, initially a critical literature review was conducted on the most important elements of operation of these systems, the factors that are responsible for the problem of fouling and their link to energy consumption. At the same time, new ways of dealing with the challenge were identified and analyzed with the aim of their comparative evaluation. Additional emphasis was placed on the environmental assessment of the MBR and CAS through the collection of data from the world literature on greenhouse gas emissions. Within this framework, a theoretical model for calculating energy consumption for conventional activated sludge and membrane bioreactor systems was developed with the aim of evaluating the energy of the two systems for urban wastewater treatment and drawing useful conclusions. Regarding the energy comparison of the two systems, data were initially collected from plants around the world and categorized into two groups based on the equivalent population (PE) they serve: (PE <10000 and PE> 10000). Then a model of energy consumption was developed for MBR and CAS with served PE from 2000 to 200000 where for PE<20000 it was considered that the installation does not have primary settling tank and anaerobic digestion. The model provided comparisons between MBR and CAS plants, MBR plants with and without sedimentation tank as well as MBR plants with different aeration cycles. More specifically, the parameters that were studied were the energy consumption, the volumes of the tanks and the distribution of the energy consumption. The above comparisons confirmed that the MBR plants have higher energy consumption compared to the CAS 0,70 kWh/m3 and 0.35 kWh/m3 respectively due to increased demand for membrane aeration but also smaller footprint due to the requirement of reduced volume of tanks. The results also showed that units that do not have a sedimentation tank consume 15% more energy. In both CAS and MBR serving higher PE show lower energy consumption in kWh / m3 of treated wastewater. Finally, the reduction of aeration time by 20% caused a reduction of energy consumption by 7%. The results of the theoretical model agreed with the real data such as the logarithmic relationship between energy consumption (kWh / m3) and equivalent population. The results highlighted the criticality of finding more efficient ways to clean membranes as well as the visual creation of larger and more efficient plants for wastewater treatment.	en
heal.advisorName	Μαλαμής, Συμεών	el
heal.committeeMemberName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Ευστρατιάδης, Αντρέας	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	136 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false