Αξιολόγηση υβριδικών συστημάτων τεχνητών υγροβιοτόπων για την επεξεργασία αστικών λυμάτων

Λώλη, Μαρία; Loli, Maria

dc.contributor.author	Λώλη, Μαρία	el
dc.contributor.author	Loli, Maria	en
dc.date.accessioned	2023-04-03T08:48:22Z
dc.date.available	2023-04-03T08:48:22Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/57447
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.25144
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υδατικών Πόρων”	el
dc.rights	Default License
dc.subject	Αεριζόμενοι τεχνητοί υγροβιότοποι	el
dc.subject	Ηλεκτροαγώγιμοι τεχνητοί υγροβιότοποι	el
dc.subject	Ηλεκτροαγώγιμα βακτήρια	el
dc.subject	Υβριδικά συστήματα τεχνητών υγροβιοτόπων	el
dc.subject	Τεχνητός υγροβιότοπος μικροβιακής κυψελίδας καυσίμων	el
dc.subject	Aerated constructed wetland	en
dc.subject	Electroactive constructed wetland	en
dc.subject	Microbial fuel cell-constructed wetland (MFC-CW)	en
dc.subject	Electroactive bacteria (EAB)	en
dc.subject	Hybrid constructed wetland	en
dc.title	Αξιολόγηση υβριδικών συστημάτων τεχνητών υγροβιοτόπων για την επεξεργασία αστικών λυμάτων	el
dc.title	Evaluation of Hybrid Constructed Wetlands for wastewater treatment	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Καινοτόμα συστήματα επεξεργασίας αστικών λυμάτων-Υβριδικά Συστήματα Τεχνητών Υγροβιοτόπων	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-03-08
heal.abstract	Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται η απόδοση καινοτόμων συστημάτων Τεχνητών Υγροβιότοπων για την επεξεργασία υγρών αστικών αποβλήτων. Η πλέον διαδεδομένη μέθοδος φυσικής επεξεργασίας υγρών αποβλήτων είναι οι Τεχνητοί Υγροβιότοποι (Constructed Wetlands-CW). Αν και η εφαρμογή των συστημάτων αυτών χαρακτηρίζεται από χαμηλό κόστος κατασκευής και συντήρησης, αποτελεσματική απομάκρυνση ρύπων και εύκολη εφαρμογή, βασικό μειονέκτημα που καλείται να αντιμετωπίσει η επιστημονική κοινότητα αποτελεί η μεγάλη απαίτηση εκτάσεων γης. Για την μείωση της απαιτούμενης έκτασης και στα πλαίσια της αειφόρου ανάπτυξης, το Ευρωπαϊκό ερευνητικό πρόγραμμα HYDROUSA 2020, του οποίου συντονιστής είναι το Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, έχει εγκαταστήσει στην περιοχή της Άντισσας στη Λέσβο τέσσερα (4) πιλοτικά συστήματα Τεχνητών Υγροβιότοπων για την επεξεργασία λυμάτων, τα οποία αποτελούν και βασικό κομμάτι έρευνας που επιχειρείται στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Το πιλοτικό σύστημα περιλαμβάνει τις παρακάτω διατάξεις: 1. Ακόρεστος Τεχνητός Υγροβιότοπος Κατακόρυφης Ροής (Unsaturated Constructed Wetland) 2. Κορεσμένος Τεχνητός Υγροβιότοπος (Saturated Constructed Wetland). 3. Υβριδικός Τεχνητός Υγροβιότοπος- Συνδυασμός Ακόρεστης και Κορεσμένης Ζώνης (Hybrid Constructed Wetland). 4. Κορεσμένος Αεριζόμενος Τεχνητός Υγροβιότοπος (Aerated Constructed Wetland). Τα πρώτα τρία συστήματα (Ακόρεστος, Κορεσμένος και Υβριδικός Τεχνητός Υγροβιότοπος) χρησιμοποιούν μια νέα αναπτυσσόμενη τεχνολογία που βασίζεται στη δράση μιας συγκεκριμένης ομάδας μικροοργανισμών, γνωστή και ως Electroactive Bacteria - EAB, τα οποία αλληλοεπιδρούν μέσω οξειδοαναγωγικών διεργασιών με το ηλεκτροαγώγιμο υλικό – πληρωτικό υλικό των τεχνητών υγροβιότοπων, και παράλληλα με την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων, παράγεται και ηλεκτρικό ρεύμα. Οι συγκεκριμένοι Τεχνητοί Υγροβιότοποι ονομάζονται Electroactive Constructed Wetlands. Ο αεριζόμενος υγροβιότοπος, χρησιμοποιεί μια εξίσου καινοτόμα τεχνολογία η οποία βασίζεται στην εφαρμογή ενός ολοκληρωμένου συστήματος τεχνητού αερισμού. Οι αεριζόμενοι υγροβιότοποι μπορούν να επιτύχουν ιδιαίτερα αυξημένα ποσοστά απομάκρυνσης ρύπων σε σύγκριση με τα συμβατικά συστήματα Τεχνητών Υγροβιότοπων, ενώ παράλληλα μπορεί να δεχθεί υψηλότερες φορτίσεις, γεγονός που οδήγησε τα τελευταία χρόνια στην αύξηση του ποσοστού εφαρμογής τους σε παγκόσμιο επίπεδο. Αρχικά γίνεται μια αναλυτική παρουσίαση της λειτουργίας των συμβατικών συστημάτων τεχνητών υγροβιότοπων, για την κατανόηση των βασικών σχεδιαστικών παραμέτρων καθώς και των μηχανισμών απομάκρυνσης ρύπων, ενώ παράλληλα γίνεται η παράθεση των πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων που χαρακτηρίζουν τα συμβατικά αυτά συστήματα. Στη συνέχεια μέσω βιβλιογραφικής ανασκόπησης, παρουσιάστηκαν οι δύο διαφορετικές τεχνολογίες, Electroactive Constructed Wetlands και Αεριζόμενος Τεχνητός Υγροβιότοπος. Εν συνεχεία, τα συστήματα αυτά εξετάσθηκαν ως προς την αποτελεσματικότητα τους στην απομάκρυνση του αζώτου από τα προς επεξεργασία λύματα καθώς και από τις συνθήκες αποξυγόνωσης που επικρατούν σε αυτά τα συστήματα. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκε σε βιοαντιδραστήρες ασυνεχούς λειτουργίας (Batch), υλικό από τους υγροβιότοπους ως προς τις διεργασίες της νιτροποίησης και απονιτροποίησης, μέσω δοκιμών απομάκρυνσης αμμωνιακού αζώτου (AUR-Ammonia Uptake Rate) και νιτρικού αζώτου (NUR-Nitrate Uptake Rate) και επιπλέον εκτιμήθηκε ο ρυθμός απομάκρυνσης του οργανικού φορτίου μέσω δοκιμών αποξυγόνωσης (OUR- Oxygen Uptake Rate). Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας του Ε.Μ.Π. μέσω τριών (3) σειρών πειραμάτων. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την εκτέλεση των πειραμάτων ασυνεχούς λειτουργίας (Batch) ήταν αρκετά ικανοποιητικά. Όλα τα συστήματα εμφάνισαν ικανοποιητικούς ρυθμούς νιτροποίησης (AUR), απονιτροποίησης (NUR) και αποξυγόνωσης (OUR). Τους χαμηλότερους ρυθμούς νιτροποίησης σε σχέση με τα υπόλοιπα συστήματα, εμφάνισε ο αεριζόμενος υγροβιότοπος, με εύρος AUR 2,31-4,62 gr N/m3/day. Οι σχετικά χαμηλοί ρυθμοί εκτιμάται ότι οφείλονται σε ένα βαθμό στην αδυναμία σχηματισμού προσκολλημένης βιομάζας που παρουσιάζει ο συγκεκριμένος τύπος υγροβιότοπου, καθώς και στο είδος του υλικού (σχετικά μεγάλο βάρος και όγκο) με αποτέλεσμα τη μη ομοιόμορφη διάχυση του αέρα. Τους υψηλότερους ρυθμούς νιτροποίησης εμφάνισε η ακόρεστη ζώνη του υβριδικού τεχνητού υγροβιότοπου, με εύρος AUR 6,00-33,65 gr N/m3/day. Στα πειράματα AUR εφαρμόστηκε διαφορετική φόρτιση αζώτου NLR (Nitrate Loading Rate) και παρατηρήθηκε αύξηση του ρυθμού νιτροποίησης. Η μεγαλύτερη αύξηση εμφανίστηκε στους Bioelectrified Wetlands. Οι δοκιμές NUR, έδειξαν ότι τα υπό μελέτη συστήματα μπορούν να απονιτροποιήσουν επιτυχώς. Σε όλα τα συστήματα παρατηρήθηκε ταυτόχρονη μείωση της συγκέντρωσης των νιτρικών και του διαλυτού COD όπως ήταν αναμενόμενο, εφόσον υπό ανοξικές συνθήκες τα απονιτροποιητικά βακτήρια διασπούν την οργανική ύλη χρησιμοποιώντας ως αποδέκτη ηλεκτρονίων τα νιτρικά. Υψηλούς ρυθμούς NUR εμφάνισε η κορεσμένη ζώνη του υβριδικού υγροβιότοπου (ΝUR=250 gr N/m3 /day) όπως ήταν αναμενόμενο, εφόσον ακολουθεί την ακόρεστη ζώνη του υβριδικού υγροβιότοπου, όπου μέσω της αερόβιας οξείδωσης της αμμωνίας παράγονται νιτρικά τα οποία εν συνεχεία οδηγούνται στην ακόρεστη ζώνη και ανάγονται. Απονιτροποίηση συντελείται και εντός του σχηματιζόμενου βιοφίλμ. Ενδιαφέρον αποτελεί ο ρυθμός απονιτροποίησης που εμφάνισε ο κορεσμένος υγροβιότοπος (296 gr N/m3 /day) καθώς στο συγκεκριμένο σύστημα, οι συνθήκες είναι αερόβιες και η παρουσία νιτρικών πολύ μικρή. Ωστόσο θεωρήθηκε ότι η δυνατότητα απονιτροποίησης που εμφανίζει το κορεσμένο σύστημα προέρχεται σε ένα βαθμό από τις διεργασίες απονιτροποίησης που μπορεί να συντελούνται στο εσωτερικό του σχηματιζόμενου βιοφίλμ (δημιουργία ανοξικών/αναερόβιων συνθηκών). Ο αεριζόμενος τεχνητός υγροβιότοπος, εμφάνισε σχετικά υψηλό ρυθμό απονιτροποίησης, εφόσον ο αερισμός που εφαρμόζεται στο πεδίο πραγματοποιείται σε στάδια και δημιουργούνται εναλλασσόμενες αερόβιες/ανοξικές φάσεις λειτουργίας. Στα πειράματα αποξυγόνωσης, όλα τα συστήματα εμφάνισαν ικανοποιητικούς ρυθμούς αποξυγόνωσης και ανταποκρίθηκαν αποτελεσματικά στην παρουσία πραγματικών λυμάτων. Με την προσθήκη λυμάτων και οξικού οξέος (εύκολα βιοδιασπάσιμη οργανική ύλη) η ταχύτητα κατανάλωσης του οξυγόνου αυξήθηκε σε όλα τα συστήματα. Τα αποτελέσματα των Electroactive Wetlands, ήταν αρκετά ικανοποιητικά, με τους συγκεκριμένους υγροβιότοπους να δίνουν υψηλούς ρυθμούς, ενισχύοντας την άποψη ότι η συγκεκριμένη τεχνολογία παρουσιάζει ενισχυμένα ποσοστά απομάκρυνσης από τα συμβατικά συστήματα. Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα των batch πειραμάτων AUR με τα αποτελέσματα που εξήχθησαν από την λειτουργία των πιλοτικών συστημάτων στο πεδίο στις αντίστοιχες χρονικές περιόδους, παρατηρούμε παρόμοια αύξηση του ρυθμού νιτροποίησης αναφορικά με τον αεριζόμενο και την ακόρεστη ζώνη του υβριδικού τεχνητού υγροβιότοπου. Σε αντίθεση, ο κορεσμένος υγροβιότοπος ακολουθεί μια διαφορετική πορεία από αυτή που παρατηρήθηκε στο εργαστήριο. Θεωρήθηκε δύσκολη η σύγκριση των δύο αυτών αποτελεσμάτων (batch,πεδίο), καθώς οι συνθήκες που επικρατούν στα πειράματα ασυνεχούς λειτουργίας είναι πλήρως ελεγχόμενες εν αντιθέσει με τις συνθήκες πεδίου που επηρεάζονται από διάφορους περιβαλλοντικούς παράγοντες και μεταβάλλονται συνεχώς.	el
heal.abstract	This postgraduate study examines the performance of innovative Constructed Wetland systems for the treatment of municipal wastewater. The most widespread method of natural wastewater treatment is Constructed Wetlands (CW). Although the application of constructed wetlands is characterized by low construction and maintenance costs, efficient removal of pollutants and easy application, a key disadvantage is the large land requirement. In order to reduce the required area and in the context of sustainable development, the European research program HYDROUSA 2020, coordinated by the National Technical University of Athens, has installed in the area of Antissa on Lesvos four (4) pilot systems of Constructed Wetlands for wastewater treatment, which are also a key part of research undertaken in the context of this diploma thesis. The pilot system includes the following provisions: 1. Unsaturated Constructed Wetland 2. Saturated Constructed Wetland 3. Hybrid Constructed Wetland 4. Aerated Constructed Wetland The first three systems (Unsaturated, Saturated and Hybrid Constructed Wetland) use a new developing technology based on the action of a specific group of microorganisms, also known as Electroactive Bacteria - EAB, which interact through redox processes with the electroconductive material of constructed wetlands, and in parallel with the treatment of wastewater, an electric current is produced. These Constructed Wetlands are called Electroactive Wetlands. The Aerated Wetland uses an equally innovative technology which is based on the application of an integrated artificial aeration system. Aerated wetlands can achieve particularly increased rates of pollutant removal compared to conventional wetland systems, while at the same time it can receive higher loads. This has led in recent years to an increase in the rate of their implementation at a global level. Initially, a detailed presentation of the operation of conventional constructed wetland systems is made, in order to understand the basic design parameters as well as the mechanisms for removing pollutants, while at the same time the advantages and disadvantages that characterize these conventional systems are presented. Then, through a literature review, the two different technologies were presented, Electroactive Constructed Wetlands and Aerated Constructed Wetland. The systems were then examined for their effectiveness in removing nitrogen from the wastewater to be treated and for the deoxygenation conditions prevailing in these systems. More specifically, nitrification and denitrification processes were studied in batch bioreactors through ammonia uptake rate (AUR) and nitrate uptake rate (NUR) and additionally estimated the rate of removal of organic test load through OUR - Oxygen Uptake Rate. The experiments were carried out in the Sanitary Engineering Laboratory of NTUA through three (3) series of experiments. The results obtained from the execution of the batch experiments were quite satisfactory. All systems exhibited satisfactory rates of nitrification (AUR), denitrification (NUR) and deoxygenation (OUR). The lowest nitrification rates compared to the rest of the systems were shown by the aerated wetland, with an AUR range of 2.31-4.62 gr N / m3 / day. The relatively low rates are estimated to be due to some extent to the inability to form an adhering biofilm, as well as to the type of material (relatively large weight and volume) resulting in uneven air diffusion. The highest nitrification rates were recorded in the unsaturated zone of the hybrid constructed wetland, with an AUR range of 6.00-33.65 gr N/m3/day. In the AUR experiments, different nitrogen loading NLR (Nitrate Loading Rate) was applied and an increase in the nitrification rate was observed. The largest increase occurred in the Bioelectrified Wetlands. NUR tests have shown that the systems can successfully denitrify. In all systems, a simultaneous decrease in the concentration of nitrates and soluble COD was observed as expected, since under anoxic conditions the denitrifying bacteria break down organic matter using nitrates as an electron acceptor. The saturated zone of the hybrid wetland (ΝUR= 250 gr N/m3 /day) showed high NUR rates as expected, since it follows the unsaturated zone of the hybrid wetland, where aerobic oxidation of ammonia produces nitrates which are then driven into the unsaturated zone and reduced. Denitrification also takes place within the formed biofilm. The rate of denitrification experienced by the saturated wetland (296 gr N/m3 /day) is interesting, as in this system, the conditions are aerobic, and the presence of nitrates is very small. However, it was considered that the denitrification potential of the saturated system comes from the denitrification processes that may take place inside the formed biofilm (creation of anoxic / anaerobic conditions). The aerated constructed wetland showed a relatively high rate of denitrification, since the aeration applied in the field is carried out in phases and alternating aerobic / anoxic phases are created. In OUR experiments, all systems showed satisfactory deoxygenation rates and responded effectively to the presence of real wastewater. With the addition of sewage and acetic acid (easily biodegradable organic matter) the speed of oxygen consumption increased in all systems. The results of the Bioelectrified Wetlands were quite satisfactory, with these wetlands giving high rates, reinforcing the view that this technology has enhanced rates of detachment from conventional systems. Comparing the results of the batch AUR experiments with the results obtained from the operation of the pilot systems in the field in the respective time periods, a similar increase in the nitrification rate regarding the aerated CW and unsaturated zone of the hybrid constructed wetland is observed. In contrast, the saturated wetland follows a different path from that observed in the laboratory. It was considered difficult to compare these two results (batch, field), as the conditions prevailing in batch experiments are fully controlled in contrast to the field conditions that are affected by various environmental factors and constantly change.	en
heal.advisorName	Μαμάης, Δανιήλ	el
heal.advisorName	Mamais, Daniel	en
heal.committeeMemberName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	en
heal.committeeMemberName	Noutsopoulos, Constantinos	en
heal.committeeMemberName	Malamis, Simos	en
heal.committeeMemberName	Μαλαμής, Συμεών	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	138 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false