Επεξεργασία υγρών αποβλήτων με αναερόβιο αντιδραστήρα UASB & συστήματα προσκολλημένης ανάπτυξης

Abstract

Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η μελέτη συστημάτων για την in-situ επεξεργασία υγρών αποβλήτων. Μελετήθηκε τόσο η επεξεργασία αστικών λυμάτων, όσο και η επεξεργασία υγρών αποβλήτων ελαιουργείου (κατσίγαρος) αραιωμένων με αστικά λύματα. Αρχικά μελετήθηκαν ένας τεχνητός υγροβιότοπος κάθετης ροής και τρία συστήματα προσκολλημένης ανάπτυξης με διαφορετικά πληρωτικά υλικά: α) πλαστικά καπάκια μπουκαλιών μέσης διαμέτρου 3,3cm, β) δακτύλιοι Kaldnes τύπου Κ1 και γ) κύβοι πετροβάμβακα (GEOLAN B-040) διαστάσεων 5cm. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα με αστικά λύματα σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, σε τρεις διαφορετικές συνθήκες φόρτισης και λειτουργίας: α) 140 g COD/m2d (τροφοδοσία κάθε δεύτερη μέρα), β) 83 g COD/m2d (τροφοδοσία κάθε δεύτερη μέρα), και γ) 29 g COD/m2d (τροφοδοσία κάθε μέρα). Η διοχέτευση των λυμάτων τη μέρα τροφοδοσίας δεν ήταν συνεχής, αλλά εναλλασσόταν με διαστήματα ανάπαυσης, μηδενικής ροής. Ο αερισμός των συστημάτων δεν ήταν τεχνητός, αλλά φυσικός λόγω της διακοπτόμενης τροφοδοσίας. Η μέση απομάκρυνση COD ως μάζα κυμάνθηκε μεταξύ 82 και 94 % για τον τεχνητό υγροβιότοπο και τη μονάδα με τους κύβους πετροβάμβακα, ενώ για τα άλλα δύο συστήματα η μέση απομάκρυνση ήταν από 64 μέχρι 88%. Αν και δεν γινόταν προεπεξεργασία των λυμάτων τόσο η εκροή του τεχνητού υγροβιότοπου όσο και της μονάδας με τον πετροβάμβακα σχεδόν πληρούσε ακόμα και τα «γενικότερα» όρια διάθεσης στο περιβάλλον, έτσι η απόδοση των μονάδων κρίνεται ικανοποιητική. Στη συνέχεια αφού επιλέχθηκαν οι δύο καλύτερες μονάδες (τεχνητός υγροβιότοπος και πετροβάμβακας), πραγματοποιήθηκαν πειράματα με υγρά απόβλητα ελαιουργείου αραιωμένα με αστικά λύματα σε φορτίσεις 102 g COD/m2d και 247 g COD/m2d (τροφοδοσία κάθε μέρα). Η αραίωση με αστικά λύματα οδήγησε σε μείωση του οργανικού φορτίου των υγρών αποβλήτων ελαιουργείου και σε ρύθμιση του pH και της αλκαλικότητας στα επιθυμητά επίπεδα. Η μέση απομάκρυνση COD ως μάζα κυμάνθηκε μεταξύ 79 και 83 % για τον τεχνητό υγροβιότοπο, ενώ για τη μονάδα με τους κύβους πετροβάμβακα ήταν από 67 μέχρι 69%. Για την επεξεργασία της εκροής των μονάδων χρησιμοποιήθηκαν παράλληλα τρεις μονάδες εργαστηριακής κλίμακας ΠΟΜΑ: ετερογενούς φωτοκατάλυσης, photo-Fenton και ηλεκτροχημικής οξείδωσης. Πιο αποτελεσματική ήταν η επεξεργασία με photo-Fenton και ηλεκτροχημική οξείδωση με απομακρύνσεις 55 με 65% ως DOC για τη μικρή φόρτιση και 25 με 30% για τη μεγάλη. Για το σύστημα υγροβιότοπου - ηλεκτροχημικής οξείδωσης η συνολική απομάκρυνση ως COD και για τις δύο φορτίσεις ήταν περίπου 90%, ενώ για το αντίστοιχο σύστημα με τον πετροβάμβακα ήταν περίπου 86%. Εκτός από τις αερόβιες μεθόδους για την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων ελαιουργείου, αραιωμένων με αστικά λύματα, πραγματοποιήθηκαν πειράματα και με αναερόβιο αντιδραστήρα τύπου UASB συνολικού όγκου 600L, με μέση φόρτιση COD 3200 mg/L και υδραυλικό χρόνο παραμονής 24 h, σε συνθήκες ελεγχόμενης θερμοκρασίας 20 οC. Η μέση απομάκρυνση για το COD ήταν 55%, για τα TSS ήταν 78% ενώ για τον Ρ ήταν 36%. Για την επεξεργασία της εκροής του αντιδραστήρα χρησιμοποιήθηκαν παράλληλα τρεις μονάδες εργαστηριακής κλίμακας ΠΟΜΑ: ετερογενούς φωτοκατάλυσης, photo-Fenton και ηλεκτροχημικής οξείδωσης. Το μεγαλύτερο ποσοστό απομάκρυνσης ως DOC σημειώθηκε με τη μέθοδο της ηλεκτροχημικής οξείδωσης και ήταν 35%. Ενώ τα ποσοστά απομάκρυνσης για τις διεργασίες της φωτοκατάλυσης και photo-Fenton ήταν πολύ χαμηλά, 13% και 7% αντίστοιχα. Τέλος ο αναερόβιος αντιδραστήρας UASB και τα δύο συστήματα προσκολλημένης ανάπτυξης, τεχνητός υγροβιότοπος (ΤΥ) και πετροβάμβακας (Π), μπήκαν σε σειρά δημιουργώντας δύο νέα συστήματα (UASB+TY, UASB+Π) για την επεξεργασία του αραιωμένου με αστικά λύματα κατσιγάρου. Οι απομακρύνσεις του συστήματος UASB+TY ως μάζα ήταν 62% για το COD και 44% για το DOC. Οι αντίστοιχες απομακρύνσεις για το σύστημα UASB+Π ήταν 41 και 26%. Η επεξεργασία της εκροής των συστημάτων έγινε με : φωτοκατάλυση, photo-Fenton και ηλεκτροχημική οξείδωση. Οι διεργασίες photo-Fenton και ηλεκτροχημική οξείδωση είχαν την ίδια απομάκρυνση ως προς το DOC και στα δύο συστήματα, 25% περίπου για τον πετροβάμβακα και 19% για τον υγροβιότοπο. Η συνολική απομάκρυνση του συστήματος με τον υγροβιότοπο και την ηλεκτροχημική οξείδωση ως συγκέντρωση COD ήταν 63%, ενώ για το αντίστοιχο σύστημα με τους κύβους πετροβάμβακα ήταν 80%. Για την πραγματοποίηση των πειραμάτων σχεδιάστηκαν και εγκαταστάθηκαν στο χώρο του βιολογικού καθαρισμού του Πολυτεχνείου Κρήτης οι αντίστοιχες πιλοτικές μονάδες.The main objective of this thesis was to examine systems for in-situ wastewater treatment. The treatment of municipal wastewater as well as olive oil mill wastewater diluted with raw municipal wastewater was studied. Initially, a constructed wetland and three attached growth systems with different media substrates were studied: a) 5 cm cubes of rockwool (GEOLAN B-040), b) type K1 KaldnesTM rings and c) plastic bottle caps of mean diameter 3.3 cm. All pilot treatment systems were operated in parallel and received raw municipal wastewater intermittently at ambient temperature. Three different types of feed pattern were studied with variations in the organic loading rate and the feeding frequency: a) 140 g COD/m2d (feeding every second day, three times per day), b) 83 g COD/m2d (feeding every second day, three times per day), and c) 29 g COD/m2d (feeding every day, three times per day). The aeration was natural rather than forced, due to the intermittent feeding. The mean COD reduction, as mass rate (mg/d), ranged from 82 to 94 % for the constructed wetland and for the rockwool cubes unit, whereas it ranged from 64 to 88% for the other two systems. Despite the lack of wastewater pretreatment, both the constructed wetland and the rockwool cubes unit effluents almost fulfilled the discharging criteria. Eventually, the constructed wetland and the rockwool cubes unit, which were shown to be the most efficient systems, were studied for the treatment of olive oil mill wastewater diluted with raw municipal wastewater. The feed pattern was uniform (intermittent, three times per day) and two different organic loading rates were studied (102 g COD/m2d and 247 g COD/m2d). The addition of municipal wastewater resulted in the reduction of olive oil mill wastewater organic load and the adjustment of pH and alkalinity. The mean COD reduction, as mass rate (mg/d), ranged from 79 to 83 % for the constructed wetland and from 67 to 69% for the rockwool cubes unit. The effluents of the systems were treated by three laboratory-scale advanced oxidation process units: photocatalysis, photo-Fenton and electrochemical oxidation. Photo-Fenton and electrochemical oxidation were the most effective treatments. The mean DOC reduction ranged from 55 to 65% for the low organic loading rate and from 25 to 30% for the high organic loading rate. For the combination of constructed wetland and electrochemical oxidation, the total COD reduction was around 90%, while for the combination of rockwool cubes unit and electrochemical oxidation the total COD reduction was around 86%. For the treatment of olive oil mill wastewater diluted with municipal wastewater, an upflow anaerobic sludge blanket reactor (UASB) was also used besides the aerobic processing methods. The volume of the reactor was 600 L, the mean organic loading rate was 3200 mg COD/L, the hydraulic retention time was 24 h and the temperature was adjusted at 20 οC. The mean COD reduction of the reactor was 55%, the TSS reduction was 78%, while the P reduction was 36%. The effluent of the reactor was treated by three different laboratory-scale advanced oxidation process units: photocatalysis, photo-Fenton and electrochemical oxidation. The highest removal rate as DOC was 35% and was achieved by the electrochemical oxidation method. The removal rates for photocatalysis and photo-Fenton were low, namely 13% and 7%, respectively. Finally, the anaerobic reactor UASB and the two attached growth systems (the constructed wetland (CW) and the rockwool cubes unit (RC)), were used in series, forming two new systems (UASB+CW, UASB+RC) for the treatment of diluted olive oil mill wastewater. The mean COD and DOC reduction as mass rate for the UASB+CW system was 62 and 44%, respectively. The respective removals for the UASB+RC system were 41 and 26%. The effluent of the systems was treated by three different laboratory-scale advanced oxidation process units: photocatalysis, photo-Fenton and electrochemical oxidation. The photo-Fenton and electrochemical oxidation processes achieved almost the same removal at each system, namely 25% for the rockwool cubes unit and 19% for the constructed wetland. The total removal, as COD, for the system of UASB+CW and electrochemical oxidation process was 63%, while the removal for the respective system with rockwool cubes was 80%. The appropriate pilot units were designed, constructed and installed at the treatment plant of the campus of the Technical University of Crete for the completion of the experiments described above.