Μελέτη της απομάκρυνσης με προσρόφηση από ενεργό άνθρακα των οργανικών παραπροϊόντων της χλωρίωσης του πόσιμου νερού
Authors: Μπαμπή Κωνσταντίνα 
Published: September 2021

Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η µελέτη της αποµάκρυνσης από το πόσιµο νερό της Αθήνας των δύο µεγαλύτερων οµάδων των οργανικών παραπροϊόντων της χλωρίωσης του νερού, δηλ. των τριαλογονοπαραγώγων του µεθανίου (ΤΗΜs) και των αλογονοµένων οξικών οξέων (ΗΑΑs), αλλά και της διαλυµένης οργανικής ύλης (Dissolved Organic Carbon, DOC), µε τη διεργασία της προσρόφησης από κοκκώδη ενεργό άνθρακα (Granular Activated Carbon, GAC) σε πραγµατικές συνθήκες, είτε σε συνδυασµό µε τη διεργασία της διήθησης, είτε µετά από αυτήν. Πιο συγκεκριµένα, στόχος της έρευνας αυτής είναι ο προσδιορισµός και η αξιολόγηση της απόδοσης ως προς την αποµάκρυνση ΤΗΜs, HAAs και DOC από το πόσιµο νερό δύο τύπων GAC, εκ των οποίων ο µεν ένας χρησιµοποιείται ως προσροφητικό και ταυτόχρονα διηθητικό µέσο, ο δε άλλος ως προσροφητικό µέσο µετά το φίλτρο της άµµου. Στόχος, επίσης, είναι η σύγκριση των δύο παραπάνω µεθόδων ως προς την αποτελεσµατικότητά τους και η πρόβλεψη της απόδοσής τους στην περίπτωση εφαρµογής τους στη Μονάδα Επεξεργασίας Νερού Γαλατσίου (ΜΕΝΓ). Απώτερος στόχος είναι η αξιολόγηση της χρησιµότητας της προσθήκης της διεργασίας της προσρόφησης στην επεξεργασία του πόσιµου νερού της Αθήνας. Τα THMs και HAAs έχουν αποδειχθεί επικίνδυνα για την υγεία και ο περιορισµός τους στο πόσιµο νερό επιβάλλεται νοµοθετικά σε πολλές χώρες. Επίσης, η αποµάκρυνση των φυσικών οργανικών ουσιών (DOC), που αποτελούν την πρόδροµη ύλη σχηµατισµού τους είναι αναγκαία. Σύµφωνα µε τη διεθνή ερευνητική εµπειρία, τα ΤΗΜs, HAAs και µέρος του DOC προσροφούνται από τον ενεργό άνθρακα, ενώ τα ΗΑΑs και µέρος του DOC είναι βιοαποδοµήσιµα. H πειραµατική εργασία έγινε σε πιλοτική κλίµακα, επειδή µόνον αυτή µπορεί να δώσει την καλύτερη δυνατή προσέγγιση της απόδοσης µιάς µονάδας προσρόφησης µε GAC σε πραγµατικές συνθήκες. Πραγµατοποιήθηκαν δύο σειρές πειραµάτων µε το νερό της ΜΕΝ Γαλατσίου, στην Αθήνα. Η επιλογή των δύο διαφορετικών τύπων GAC έγινε µε βάση τη διεθνή εµπειρία, µε στόχο τη µεγαλύτερη πρακτική χρησιµότητα της πιλοτικής έρευνας. Και στις δύο σειρές πειραµάτων, η πιλοτική µονάδα GAC λειτουργούσε ως ταχύ φίλτρο βαρύτητας. Το βάθος κλίνης του άνθρακα ήταν περίπου το ίδιο, ενώ το µέσο µέγεθος κόκκων του άνθρακα και η ταχύτητα ροής του νερού ήταν µικρότερα στη Β σειρά πειραµάτων (προσρόφηση µετά τη διήθηση). Ο χρόνος επαφής κενής στήλης (EBCT) ήταν 9,5 min για την Α σειρά και 14 min για τη Β σειρά. Στην Α σειρά πειραµάτων (διήθηση-προσρόφηση), το φίλτρο GAC λειτουργούσε παράλληλα µε φίλτρο άµµου της ΕΥ∆ΑΠ, ενώ στη Β σειρά µετά από αυτό. Κατά τη διάρκεια λειτουργίας της πιλοτικής µονάδας, σε τακτά χρονικά διαστήµατα, γίνονταν δειγµατοληψίες στην είσοδο, έξοδο και σε διάφορα βάθη του φίλτρου GAC, καθώς επίσης στην είσοδο και έξοδο του φίλτρου άµµου, που λειτουργούσε παράλληλα µε το φίλτρο GAC στην Α σειρά πειραµάτων. Mετρήθηκαν οι εξής παράµετροι: ΤΗΜs, HAAs, DOC, ελεύθερο υπολειµµατικό χλώριο, ιόντα βρωµίου, θολότητα, απορρόφηση υπεριώδους ακτινοβολίας στα 254 nm µετά από διήθηση (SOL-UV(254)-A), pH, θερµοκρασία. Επίσης µικροβιολογικές παράµετροι (ολικά κολοβακτηριοειδή, Ε-coli, εντερόκοκκοι, ετερότροφα βακτήρια) για ορισµένο χρονικό διάστηµα κατά την Α σειρά πειραµάτων. Η λειτουργία των φίλτρων GAC τερµατίστηκε όταν ελαττώθηκε σηµαντικά η αποµάκρυνση των ΤΗΜs, HAAs και DOC. Η διάρκεια πραγµατικής λειτουργίας της πιλοτικής µονάδας GAC ήταν περίπου 235 ηµέρες (156 κύκλοι διήθησης) για την Α σειρά και 638 ηµέρες (105 κύκλοι διήθησης) για τη Β σειρά πειραµάτων. Το φίλτρο GAC, είτε σε αντικατάσταση του φίλτρου άµµου, είτε µετά από αυτό, αποµάκρυνε τα THMs, HAAs και DOC από το νερό σε ικανοποιητικό βαθµό και για πρακτικά χρήσιµη χρονική περίοδο. Η δυναµικότητα του GAC στο σηµείο διαρροής αποδείχτηκε αρκετά µεγαλύτερη για το DOC σε σχέση µε τις άλλες οµάδες ουσιών, µικρότερη για τα ολικά ΗΑΑs (ΤΗΑΑs) και ακόµη µικρότερη για τα ολικά ΤΗΜs (ΤΤΗΜs). Η µεγαλύτερη αποτελεσµατικότητα του GAC ως προς την αποµάκρυνση του DOC σε σχέση µε τα µικρότερα µόρια των ΤΗΜs και HAAs (µε συγκέντρωση DOC επίσης µεγαλύτερη κατά δύο τάξεις µεγέθους) ήταν σύµφωνη µε τη σχετική βιβλιογραφία. Η αποµάκρυνση των ΤΗΜs και το µεγαλύτερο µέρος της αποµάκρυνσης των ΗΑΑs και του DOC πρέπει να αποδοθεί στην προσρόφηση από το GAC, ενώ η αποµάκρυνση µικρότερου µέρους των ΗΑΑs και του DOC µπορεί να αποδοθεί σε βιοαποδόµηση µέσα στην κλίνη του ενεργού άνθρακα, όπου η απουσία του χλωρίου ευνοεί την ανάπτυξη µικροβιακού πληθυσµού, όπως διαπιστώθηκε. Στην καλύτερη προσρόφηση και πιθανόν και τη βιοαποδόµηση αποδίδονται η µεγαλύτερη αποµάκρυνση του DOC σε σχέση µε ΤΗΜs και ΗΑΑs και των ΗΑΑs σε σχέση µε ΤΗΜs. Η διεργασία της προσρόφησης από GAC µετά τη διήθηση, όπως εφαρµόστηκε, αποδείχθηκε πιο αποτελεσµατική από τη διήθηση-προσρόφηση ως προς την αποµάκρυνση των ΤΤΗΜs, ΤHAAs και DOC. Αυτό αποδίδεται στα χαρακτηριστικά του GAC(B) και της διεργασίας της προσρόφησης µετά τη διήθηση που ευνοούν την προσρόφηση και τη βιοαποδόµηση, αλλά και στις µεγαλύτερες συγκεντρώσεις όλων των οµάδων ουσιών στο νερό εισόδου. Φαινόµενα εκρόφησης, ιδιαίτερα των πτητικών και ασθενώς προσροφούµενων ΤΗΜs, αλλά και των ΗΑΑs, παρουσιάστηκαν συχνότερα κατά τη διεργασία της προσρόφησης µετά τη διήθηση, κυρίως κοντά στα σηµεία κορεσµού ή διαρροής. Για την αποφυγή τους, επιβάλλεται συνεχής παρακολούθηση της συγκέντρωσης των ΤΗΜs και ΗΑΑs, αλλά και του DOC στο εξερχόµενο νερό και έγκαιρη διακοπή της λειτουργίας του φίλτρου GAC. Η απορρόφηση του υπεριώδους φωτός (SOL-UV(254)-A) αποδείχθηκε χρήσιµη υποκατάστατη παράµετρος της συγκέντρωσης του DOC στο διηθηµένο νερό. Επιπροσθέτως, το φίλτρο GAC(A) αποµάκρυνε καλύτερα τη θολότητα από το νερό σε σύγκριση µε το φίλτρο άµµου και τους δείκτες απολύµανσης του νερού σχεδόν εξίσου ικανοποιητικά µε το φίλτρο άµµου. Η παρουσία µεγάλου αριθµού ετερότροφων βακτηρίων στο νερό εξόδου επιβεβαίωσε το φαινόµενο της βιοαποδόµησης οργανικών ουσιών µέσα στην κλίνη του ενεργού άνθρακα. Επισηµαίνεται η ανάγκη επαρκούς µεταχλωρίωσης του νερού µετά το φίλτρο GAC για την προστασία της δηµόσιας υγείας, αλλά και πρόσθετης διήθησης του νερού από υποκείµενο στρώµα άµµου ή άλλη διάταξη για την συγκράτησή της σκόνης άνθρακα. Για τη σύγκριση της απόδοσης των δύο διεργασιών ως προς την αποµάκρυνση των ΤΤΗΜs, THAAs και DOC έγινε θεωρητική ανάλυση µε εφαρµογή της ισόθερµης Freundlich και επεξεργασία των πειραµατικών δεδοµένων, κατά την οποία αφαιρέθηκε η επίδραση της διαφοράς των µέσων συγκεντρώσεων των ΤΤΗΜs, ΤHAAs και DOC στο νερό εισόδου GAC(A) και GAC(B). H θεωρητική πρόβλεψη µε την υπόθεση ίσων συγκεντρώσεων εισόδου έδειξε ότι η διεργασία της προσρόφησης µετά τη διήθηση στη ΜΕΝ Γαλατσίου αναµένεται να δώσει πολύ µεγαλύτερη δυναµικότητα και διάρκεια λειτουργίας του φίλτρου GAC(Β), καθώς επίσης και µεγαλύτερους όγκους νερού µέχρι τον κορεσµό του ως προς ΤΤΗΜs, THAAs και ιδιαίτερα DOC. Οικονοµοτεχνική ανάλυση έδειξε ότι η πρόσθετη επιβάρυνση του λειτουργικού κόστους παραγωγής του πόσιµου νερού είναι αρκετά χαµηλή και για τις δύο διεργασίες. Το προβλεπόµενο λειτουργικό κόστος του GAC στην περίπτωση της προσρόφησης µετά τη διήθηση είναι κατά 60 % µικρότερο του αντίστοιχου λειτουργικού κόστους στην περίπτωση της διήθησης-προσρόφησης. Επίσης, και για τις δύο διεργασίες, η θερµική αναγέννηση και επαναχρησιµοποίηση του GAC συνεπάγεται περίπου το µισό λειτουργικό κόστος σε σχέση µε την απόρριψή του µετά τη χρήση.