Διερεύνηση της εφαρμογής εδαφικών συστημάτων για την επεξεργασία αστικών λυμάτων

Παπαδοπούλου, Πηνελόπη; Papadopoulou, Pinelopi

dc.contributor.author	Παπαδοπούλου, Πηνελόπη	el
dc.contributor.author	Papadopoulou, Pinelopi	en
dc.date.accessioned	2025-01-09T10:34:25Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/60676
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.28372
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	Εδαφικά συστήματα επεξεργασίας	el
dc.subject	Nature Based Solutions	en
dc.subject	Αποκεντρωμένη διαχείριση λυμάτων	el
dc.subject	Διαχείριση υδατικών πόρων	el
dc.title	Διερεύνηση της εφαρμογής εδαφικών συστημάτων για την επεξεργασία αστικών λυμάτων	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Επεξεργασία αστικών λυμάτων	el
heal.classification	Διαχείριση υδατικών πόρων	el
heal.dateAvailable	2026-01-08T22:00:00Z
heal.language	el
heal.access	embargo
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-07-15
heal.abstract	Στις μέρες μας το νερό θα μπορούσε να θεωρηθεί ως περιοριστικός παράγοντας για δραστηριότητες όπως η γεωργία αλλά και για την συντήρηση του συνεχώς αυξανόμενου πληθυσμού της γης. Αυτό αποδίδεται κυρίως στην άνιση κατανομή του ίδιου του νερού, στην μεταβλητότητα των βροχοπτώσεων και στην κλιματική αλλαγή. Εξίσου σημαντική όμως είναι και η ύπαρξη νερού καλής ποιότητας για να εξασφαλίζεται η ασφαλής κατανάλωσή του. Τα αποθέματα «φρέσκου» νερού καλής ποιότητας συνεχώς μειώνονται και γίνονται όλο και πιο δυσεύρετα σε ξηρές περιοχές. Από τα παραπάνω γίνεται αντιληπτό ότι η ορθολογική_ και αειφόρος διαχείριση των υδατικών πόρων είναι ύψιστης οικολογικής αλλά και κοινωνικής σημασίας. Ένας τρόπος για την καλύτερη αξιοποίηση του «φρέσκου» νερού είναι η χρήση εναλλακτικών υδατικών πόρων. Εναλλακτικοί υδατικοί πόροι είναι τα αστικά_ λύματα μετά από κατάλληλη επεξεργασία. Η ανάκτηση και επαναχρησιμοποίηση των αστικών λυμάτων είναι μια πρακτική που ήδη χρησιμοποιείται ανά τον κόσμο με το νερό αυτό να προέρχεται μετά από επεξεργασία σε σύγχρονες εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων (ΕΕΛ). Για την επεξεργασία όμως των αστικών λυμάτων από τις ΕΕΛ αρχικά απαιτείται η κατασκευή μιας τέτοιας μονάδας με τον απαραίτητο εξοπλισμό όπως και εξειδικευμένο προσωπικό για την λειτουργία της. Επίσης, το κόστος λειτουργίας μιας τέτοιας εγκατάστασης είναι σημαντικό. Ταυτόχρονα, για να κατασκευαστεί μια ΕΕΛ θα πρέπει να υπάρχει και ο ανάλογος πληθυσμός για δικαιολογηθεί το κόστος κατασκευής και λειτουργίας. Τα επεξεργασμένα λύματα τα οποία παράγονται σε κεντρικές ΕΕΛ συχνά δεν μπορούν να αξιοποιηθούν τοπικά, καθώς οι αγροτικές περιοχές όπου υπάρχει μεγάλη κατανάλωση νερού είναι συνήθως μακριά από τις ΕΕΛ όπου παράγεται το ανακτημένο νερό. Επομένως, θεωρείται σκόπιμη η διερεύνηση εναλλακτικών μεθόδων επεξεργασίας των λυμάτων, δίνοντας έμφαση στην αποκεντρωμένη διαχείρισή τους και σε επιτόπια συστήματα επεξεργασίας λυμάτων. Η παρούσα εργασία διερευνά βιβλιογραφικά τα εδαφικά συστήματα επεξεργασίας αστικών λυμάτων ως εναλλακτική μέθοδο διαχείρισης των λυμάτων σε σύγκριση με τις συμβατικές ΕΕΛ για μια πιο αποκεντρωμένη διαχείριση των λυμάτων με στόχο την ευκολότερη επαναχρησιμοποίηση του ανακτημένου νερού. Πιο συγκεκριμένα, διερευνώνται τα είδη εδαφικών συστημάτων που υπάρχουν και οι λειτουργικοί παράμετροι οι οποίες επηρεάζουν την απομάκρυνση των ρύπων. Στη διερεύνηση αυτή συμπεριλήφθηκαν τα χαρακτηριστικά του εδάφους και o ρόλος των φυτών, όταν αυτά χρησιμοποιηθούν σε αυτά τα συστήματα. Σημαντικό μέρος της παρούσας διερεύνησης αποτελεί η δίαιτα και η απομάκρυνση των μικρορύπων και των μακρο- στοιχείων αλλά και των παθογόνων μικροοργανισμών σε ένα τέτοιο σύστημα. Επίσης, εξετάστηκαν τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα αυτών των συστημάτων, το κόστος εφαρμογής και λειτουργίας καθώς και η σχετική νομοθεσία που τα διέπει. Αναλυτικότερα, στο Κεφάλαιο 3, περιγράφονται οι τέσσερις κατηγορίες των εδαφικών συστημάτων επεξεργασίας και παρουσιάζονται επίσης συγκριτικά τα χαρακτηριστικά των συστημάτων αυτών. Στο Κεφάλαιο 4 αναλύεται ο τρόπος με τον 8 οποίο διάφορες λειτουργικές παράμετροι επηρεάζουν τις διεργασίες επεξεργασίας των αστικών λυμάτων. Στους βασικούς παράγοντες περιλαμβάνονται ο υδραυλικός χρόνος παραμονής (HRT), η υδραυλική φόρτιση (HLR), ο ρυθμός φόρτισης ρύπων (PLR) και τα χαρακτηριστικά των λυμάτων, όπως το επίπεδο προεπεξεργασίας, η θερμοκρασία και το pH. Επιπλέον, οι παράμετροι που αφορούν το σύστημα, όπως το βάθος της ακόρεστης ζώνης, η ανακυκλοφορία των λυμάτων, ο αερισμός, η κλίση του συστήματος, η μέθοδος διανομής του νερού και ο χρόνος λειτουργίας του συστήματος. Αυτές οι παράμετροι επηρεάζουν σε διαφορετικό βαθμό την απομάκρυνση ρύπων όπως η βιοχημική ζήτηση οξυγόνου (BOD), η χημική ζήτηση οξυγόνου (COD), το ολικό άζωτο (TN), ο ολικός φώσφορος (TP), τα ολικά αιωρούμενα στερεά (TSS) και τα περιττωματικά κολοβακτηρίδια (FC). Όλα τα λειτουργικά χαρακτηριστικά επηρεάζουν την απομάκρυνση του BOD, COD, TN, TSS εκτός από την κλίση και τη διανομή του νερού. Η ανακυκλοφορία μπορεί να αυξήσει την απομάκρυνση του αζώτου μέσω της διεργασίας της απονιτροποίησης. Η απομάκρυνση του TP επηρεάζεται σημαντικά από το HLR, το PLR, το επίπεδο προεπεξεργασίας, το pH, το βάθος της ακόρεστης ζώνης και την ηλικία του συστήματος, ενώ η θερμοκρασία και ο αερισμός έχουν μικρότερες επιδράσεις. Η απομάκρυνση FC επηρεάζεται κυρίως από το HRT, το HLR, την προεπεξεργασία, το pH, το βάθος της ακόρεστης ζώνης και την ηλικία του συστήματος, ενώ μικρότερη επίδραση έχουν η θερμοκρασία, η ανακυκλοφορία και ο αερισμός. Στο κεφάλαιο 5 αναλύεται το έδαφος ως μέσο επεξεργασίας των αστικών λυμάτων. Μέσω φυσικοχημικών διεργασιών, όπως η διήθηση, η καθίζηση, η ανταλλαγή ιόντων και η προσρόφηση, το έδαφος μπορεί να επεξεργαστεί τα λύματα. Το έδαφος παρέχει επίσης ευνοϊκές συνθήκες για την ανάπτυξη αερόβιων και αναερόβιων βακτηρίων και επομένως οι ρύποι απομακρύνονται επίσης μέσω βιοχημικών διεργασιών. Η αποτελεσματικότητα αυτών των διεργασιών εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του εδάφους, όπως η χημική και μηχανική του σύσταση, η δομή, το πορώδες και η διαπερατότητα, τα οποία επηρεάζουν τη ροή του νερού και τη δημιουργία αερόβιων ή αναερόβιων συνθηκών που είναι απαραίτητες για τη μικροβιακή δραστηριότητα. Επιπλέον, η στάθμη των υπόγειων υδάτων και η περιεκτικότητα του εδάφους σε υγρασία επηρεάζουν τις συνθήκες αυτές. Το βάθος της ακόρεστης ζώνης καθορίζει τον χρόνο που είναι διαθέσιμος για την επεξεργασία των λυμάτων. Η οργανική ουσία στο έδαφος υποστηρίζει την απομάκρυνση των ρύπων και ευνοεί βασικές χημικές και βιολογικές διεργασίες. Η βιοποικιλότητα και η συνολική υγεία του εδάφους ενισχύουν περαιτέρω την ικανότητά του να επεξεργάζεται τα λύματα, καθώς ποικίλοι μικροοργανισμοί διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στην διάσπαση της οργανικής ύλης και την απομάκρυνση θρεπτικών συστατικών και άλλων ρύπων. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, οι λειτουργικές παράμετροι επηρεάζουν την αποτελεσματικότητα της επεξεργασίας. Ως εκ τούτου, η αλληλεπίδραση μεταξύ των ιδιοτήτων του εδάφους και αυτών των λειτουργικών παραμέτρων είναι σημαντική για τη βελτιστοποίηση των εδαφικών συστημάτων επεξεργασίας λυμάτων και τη διασφάλιση της αποτελεσματικής απομάκρυνσης των ρύπων. Επίσης, στο Κεφάλαιο 6, εξετάζεται ο ρόλος της βλάστησης στα εδαφικά συστήματα επεξεργασίας αστικών λυμάτων, ο οποίος είναι σημαντικός και ποικίλλει ανάλογα με το είδος του συστήματος. Η βλάστηση είναι απαραίτητη στα συστήματα 9 επιφανειακής ροής (ΕΡ) και βραδείας διήθησης (ΒΔ), καθώς βοηθά στην απομάκρυνση των μετάλλων, υποστηρίζει την υδραυλική φόρτιση και ενισχύει την παραγωγή βιομάζας. Σε αυτά τα συστήματα, η προσεκτική επιλογή των φυτών είναι σημαντική για την αποτελεσματική λειτουργία. Στα συστήματα ταχείας διήθησης (ΤΔ) και υποεπιφανειακής διήθησης (ΥΔ) των λυμάτων, η παρουσία βλάστησης είναι προαιρετική. Ωστόσο, τα φυτά μπορούν και πάλι να είναι ευεργετικά, καθώς απομακρύνουν μέρος των θρεπτικών συστατικών από τα λύματα. Η βλάστηση διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στα εδαφικά συστήματα επεξεργασίας αστικών λυμάτων μέσω της φυτοεξυγίανσης, όπου τα φυτά απορροφούν, σταθεροποιούν ή μετατρέπουν τους ρύπους από το έδαφος, το νερό ή τα ιζήματα σε λιγότερο επιβλαβείς μορφές. Αυτή η οικονομικά αποδοτική και περιβαλλοντικά βιώσιμη μέθοδος απομακρύνει διάφορους ρύπους, συμπεριλαμβανομένων στερεών, θρεπτικών ουσιών, μετάλλων, ακόμη και φαρμακευτικών ουσιών. Η επιτυχία αυτών των συστημάτων εξαρτάται από την επιλογή του σωστού είδους βλάστησης. Ιδανικά είναι τα αυτοφυή είδη που είναι καλά προσαρμοσμένα στις τοπικές συνθήκες. Διαφορετικά φυτά είναι κατάλληλα για διαφορετικά συστήματα επεξεργασίας: αγρωστώδη και καλλωπιστικά φυτά για συστήματα επιφανειακής ροής, ετήσια και πολυετή αγρωστώδη και δέντρα για συστήματα αργής διήθησης με άμμο, υδρόβια φυτά όπως ο υάκινθος για συστήματα ταχείας διήθησης και φυτά χαμηλής βλάστησης για συστήματα υποεπιφανειακής ροής. Η κατάλληλη χρήση της βλάστησης σε αυτά τα συστήματα ενισχύει σημαντικά την αποδοτικότητα και τις δυνατότητες απομάκρυνσης των ρύπων. Στο κεφάλαιο 7 αναλύεται η δίαιτα και η απομάκρυνση των μικρο- και μακρο-ρύπων καθώς και των παθογόνων μικροοργανισμών. Στη διερεύνηση περιλαμβάνονται το άζωτο, ο φώσφορος, τα μέταλλα, η οργανική ύλη, οι αναδυόμενοι ρύποι, τα γονίδια που είναι ανθεκτικά στα αντιβιοτικά και τους παθογόνους μικροοργανισμούς. Η απομάκρυνση του αζώτου (Ν) από τα οικιακά λύματα είναι σημαντική για τη μείωση της νιτρορύπανσης των υπόγειων υδροφορέων. Φυσικές, χημικές και βιολογικές διεργασίες, όπως η προσρόφηση και η καθίζηση, η νιτροποίηση και η απονιτροποίηση, συμβάλλουν στην απομάκρυνση του Ν από τα λύματα. Η βλάστηση των φυτών που χρησιμοποιούνται σε εδαφικά συστήματα επεξεργασίας λυμάτων, ενισχύουν την απορρόφηση του Ν, βοηθώντας στην ανάκτησή του. Όσον αφορά τον φώσφορο (Ρ), η προσρόφηση από το έδαφος, ιδίως από υποστρώματα όπως η πλούσια σε ασβέστιο άμμος, είναι ένας αποτελεσματικός μηχανισμός για την απομάκρυνσή του. Η οργανική ύλη στο έδαφος και οι χημικές ιδιότητές της μπορούν να βελτιώσουν την προσρόφηση. Τα βαρέα μέταλλα στα αστικά λύματα απομακρύνονται κυρίως μέσω της προσρόφησης και της χημικής κατακρήμνισης, με την ανταλλαγή ιόντων να αποτελεί σημαντικό μηχανισμό για την απομάκρυνσή τους. Η απομάκρυνση της οργανικής ύλης περιλαμβάνει διεργασίες όπως η καθίζηση, η διήθηση και η βιολογική οξείδωση. Παρά τις διεργασίες αυτές, τα δευτεροβάθμια ή τριτοβάθμια επεξεργασμένα λύματα εξακολουθούν να περιέχουν σύνθετες οργανικές ενώσεις, όπως φαρμακευτικά προϊόντα και προϊόντα προσωπικής φροντίδας. Τα εδάφη στα συστήματα επεξεργασίας απομακρύνουν επίσης εν μέρει τους οργανικούς μικρορύπους μέσω διεργασιών όπως η βιοδιάσπαση και η προσρόφηση. Τα γονίδια ανθεκτικότητας στα αντιβιοτικά (ARGs) που περιέχονται στα αστικά λύματα αποτελούν παράγοντα ανησυχίας λόγω της ανθεκτικότητάς τους 10 και των δυνητικών κινδύνων για την υγεία. Τα γονίδια αυτά αναπτύσσονται από την απελευθέρωση αντιβιοτικών στο περιβάλλον, εξαπλώνοντας την ανθεκτικότητα μεταξύ των βακτηρίων. Τα ARGs μπορούν να παραμείνουν ακόμη και μετά την επεξεργασία τόσο στα συμβατικά όσο και στα φυσικά συστήματα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων. Οι μέθοδοι απομάκρυνσης περιλαμβάνουν προηγμένες διεργασίες χημικής επεξεργασίας. Τα οικιακά λύματα περιέχουν παθογόνους μικροοργανισμούς που αποτελούν απειλή για την ανθρώπινη υγεία, συμπεριλαμβανομένων βακτηρίων, ιών, πρωτόζωων και ελμινθών. Τα ανθεκτικά στα αντιβιοτικά βακτήρια (ARB) περιπλέκουν περαιτέρω τους κινδύνους για την υγεία, καθώς επιβιώνουν από τη θεραπεία με αντιβιοτικά. Επομένως, οι αποτελεσματικές τεχνικές απομάκρυνσης θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν διεργασίες χημικής επεξεργασίας, δεδομένου ότι τα αποκεντρωμένα συστήματα επεξεργασίας λυμάτων, όπως τα εδαφικά συστήματα, μπορούν να τα απομακρύνουν μόνο εν μέρει. Το κεφάλαιο 8 περιλαμβάνει μια παρουσίαση των πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων των εδαφικών συστημάτων και την οικονομική τους αξιολόγηση. Τα εδαφικά συστήματα επεξεργασίας λυμάτων είναι οικονομικά αποδοτικά, φιλικά προς το περιβάλλον και βιώσιμα για την επεξεργασία των λυμάτων. Η ανάλυση υποδεικνύει και αναδεικνύει τις ισχυρές δυνατότητες αυτών των συστημάτων. Παρά τα πλεονεκτήματά τους όμως, απαιτείται προσεκτικός σχεδιασμός και επιλογή υλικών για τη μεγιστοποίηση της αποδοτικότητας και την ελαχιστοποίηση τυχόν κινδύνων για το περιβάλλον και την υγεία. Στο κεφάλαιο 9, περιλαμβάνονται οι νομοθεσίες και οι κατευθυντήριες γραμμές που διέπουν τα εδαφικά συστήματα επεξεργασίας λυμάτων από διάφορες χώρες. Τα συμπεράσματα τα οποία προκύπτουν από την διερεύνηση αυτή είναι ότι τα εδαφικά συστήματα επεξεργασίας αστικών λυμάτων είναι ένας αποδοτικός τρόπος επεξεργασίας των λυμάτων καθώς χαρακτηρίζονται από χαμηλή κατανάλωση ενέργειας σε συνδυασμό με υψηλή απόδοση σε σχέση με την απομάκρυνση των βασικών ρύπων. Επιπλέον, προσφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα, με την αναπλήρωση των υπόγειων υδάτων και τη συμβολή στην κυκλική οικονομία του νερού.	el
heal.advisorName	Μαλαμής, Συμεών	el
heal.committeeMemberName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Χονδρός, Μιχαήλ	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	132 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false