Έλεγχος αποτελεσματικότητας, με ενόργανες αναλυτικές τεχνικές, συστήματος επεξεργασίας υγρών αποβλήτων με χρήση μεμβρανών
Authors: Χατζηκωνσταντίνου Κωνσταντίνος 
Published: August 2021

Η χρήση των επεξεργασμένων υγρών αποβλήτων είναι βασική ανάγκη των σύγχρονων κοινωνιών υποστηριζόμενη από σχετικά νομοθετικά πλαίσια. Η επεξεργασία υγρών αποβλήτων σε εγκαταστάσεις βιοαντιδραστήρων μεμβρανών έχει αποδειχθεί σημαντική τόσο σε μικρή όσο και σε μεγάλη κλίμακα εγκαταστάσεων. Το μεγάλο πρόβλημα αυτών των εγκαταστάσεων είναι η έμφραξη λόγω ρύπανσης των μεμβρανών, η οποία χρειάζεται έως σήμερα υψηλή προσφορά αέρα για τον καθαρισμό των μεμβρανών και επομένως απαιτεί μεγάλη προσφορά σε ενέργεια. Στόχος της επιστημονικής κοινότητας είναι να μειωθεί σημαντικά η κατανάλωση αέρα σε αυτά τα συστήματα. Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζεται η λειτουργία βιοαντιδραστήρα μεμβρανών με χρήση πρότυπου συνθετικού αποβλήτου (προσομοίωση αστικού αποβλήτου). Στην παραπάνω μονάδα πραγματοποιήθηκε έρευνα με διάφορες μηχανικές, φυσικές και χημικές μεθόδους καθαρισμού μεμβρανών στην προσπάθεια να αντιμετωπίσουμε το πρόβλημα της έμφραξης και ελέγχου της λειτουργικότητας των μεμβρανών με το μικρότερο ενεργειακό κόστος. Όσον αφορά στην αποτελεσματικότητα του συστήματος MBR κατ’ αρχήν επιβεβαιώθηκε η εξαιρετική απόδοση σε απομάκρυνση οργανικού φορτίου σε σχέση με το εισερχόμενο απόβλητο τόσο σε όρους COD (>96%) όσο και σε όρους BOD5 (97%) σε όλους τους εξεταζόμενους χρόνους παραμονής και ηλικίας λάσπης (10-60 μέρες) καθώς και σε αυξημένες οργανικές φορτίσεις (COD εισερχόμενου αποβλήτου 675-705 mg/lt). Ακόμα η ικανότητα απομάκρυνσης του ολικού αζώτου ήταν σχετικά καλή αφού παρουσίασε σημαντική απομείωση φορτίου σε όρους ολικού αζώτου (~50%),σε σχέση με το εισερχόμενο απόβλητο, ανεξάρτητα από τις όποιες θερμοκρασιακές διακυμάνσεις και τις μεταβολές συγκέντρωσης αιωρούμενων στερεών (MLSS) της ιλύος. Επίσης η απομείωση του ολικού φωσφόρου ήταν υψηλότατη αφού κυμάνθηκε μεταξύ 80-90% σε σχέση με το εισερχόμενο στον βιοαντιδραστήρα απόβλητο. Τέλος η απομάκρυνση του μικροβιακού φορτίου ήταν εξαιρετική όπως αναμενόταν, αφού σχεδόν δεν ανιχνεύθηκαν στο διήθημα βακτηριακοί δείκτες μόλυνσης και παθογόνα βακτήρια και πιθανώς το ίδιο συμβαίνει και με τα παράσιτα που έχουν μεγαλύτερα μεγέθη. Τα ανωτέρω αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν όπως φαίνεται και στα σχετικά διαγράμματα καθ’ όλη την πορεία της έρευνας. Διάφοροι τύποι μηχανικών, φυσικών και χημικών μεθόδων καθαρισμού που εφαρμόστηκαν εκτενώς στην παρούσα διατριβή έδωσαν βελτιωμένα λειτουργικά χαρακτηριστικά των διατάξεων μεμβρανών. Οι δυο κύριες παράμετροι που εξετάστηκαν για όλες τις μεθόδους ήταν αυτή της διαμεμβρανικής πίεσης (TMP) και η ανοιγμένη ροή διήθησης, δηλαδή η παροχή (flux) κάθε συστήματος. Συγκεκριμένα για τον πειραματικό κύκλο με εμβυθιζόμενη δονούμενη σφαίρα παρατηρήθηκε βελτίωση της διαμεμβρανικής πίεσης σε εύρος 4,7-5,5% και αύξηση της ροής διηθήματος κατά 2,5-3,1% για τις εγγύς μεμβράνες, σε σχέση με τις τιμές προ της εφαρμογής της δόνησης. Για τους πειραματικούς κύκλους με υπέρηχους παρατηρήθηκε βελτίωση της διαμεμβρανικής πίεσης σε εύρος 0,3-1,9% και αύξηση της ροής διηθήματος κατά 1,3-7,2%, ενώ ταυτόχρονα παρατηρήθηκε πτώση του MLSS σε εύρος 0,7-9,2% σε σχέση με τις τιμές πριν την εφαρμογή των υπερήχων, όπου οι υψηλότερες τιμές αντιστοιχούν σε μεγαλύτερες περιόδους εφαρμογής υπερήχων. Κατά την εφαρμογή υψίσυχνης δόνησης με πνευματικούς δονητές, καταγράφηκε βελτίωση των TMP και Flux για όλους τους πειραματικούς κύκλους. Συγκεκριμένα στον 1ο πειραματικό κύκλο υψίσυχνης δόνησης HFPV σε διάταξη τριών μεμβρανών κοίλων ινών (SINOMA) με την εφαρμογή δόνησης σχήματος καταγράφηκε μείωση της TMP σε εύρος 4-28,3% και αύξηση της ροής διηθήματος κατά 10,6-17,3% ανάλογα με το εφαρμοζόμενο σχήμα δόνησης ανακτώντας σχεδόν τις αρχικές τιμές ροής διηθήματος (5 - 6 l/m2 h) και υποβιβάζοντας σημαντικά τις τιμές της διαμεμβρανικής πίεσης (περίπου 75mbar από 200 mbar της αρχικής). Το σύστημα, διατήρησε τις ανωτέρω υψηλές βελτιώσεις λειτουργικών χαρακτηριστικών για διάστημα περίπου τριών ημερών όπου εφαρμόστηκε δόνηση HFPV περιοδικά, αρχικά κάθε 2 ώρες, ακολούθως κάθε 4 ώρες και τελικά κάθε 6 ώρες. Μετά την διακοπή των σχημάτων δόνησης τα λειτουργικά χαρακτηριστικά της διάταξης των μεμβρανών ακολούθησαν παρόμοια πορεία με αυτή που είχαν κατά την έναρξη του πειράματος. Στον 2ο πειραματικό κύκλο υψίσυχνης δόνησης εξετάστηκε η επίδραση τριών διαφορετικών σχημάτων HFPV δόνησης σε παράλληλη λειτουργία τεσσάρων μεμβρανών κοίλων ινών (KHONG). Σε κάθε σετ εξεταζόμενων μεμβρανών καταγράφηκαν παρόμοια αποτελέσματα. Στις πρώτες εξεταζόμενες μεμβράνες (Α1 & Α4) εφαρμόστηκαν δυο διαφορετικά σχήματα δόνησης (VT1 & VT5) με τον ίδιο δονητή ενώ στις δεύτερες (Α3 & Α6) εφαρμόστηκε ένα τρίτο σχήμα δόνησης (VT2) με άλλο ισχυρότερο δονητή και παρατηρήθηκαν οι διαφορετικές επιδράσεις. Έτσι για τις πρώτες μεμβράνες καταγράφηκε μέση μείωση της TMP κατά 27% και αύξηση της ροής διηθήματος κατά 25% για το πρώτο σχήμα δόνησης (VT1) ενώ αναλόγως καταγράφηκε μείωση της TMP κατά 42% και αύξηση της ροής διηθήματος κατά 100% για το δεύτερο σχήμα δόνησης (VT5). Στις εν παραλλήλω λειτουργούσες μεμβράνες (Α3 & Α6) καταγράφηκε μέση μείωση της TMP κατά 65% και αύξηση της ροής διηθήματος κατά 60% για το σχήμα δόνησης (VT2) το οποίο ξεκίνησε να εφαρμόζεται την ίδια ημέρα. Στον 3ο πειραματικό κύκλο υψίσυχνης δόνησης σε επίπεδες μεμβράνες πριν από την εφαρμογή των δονήσεων, ένα μόνιμο στρώμα κέικ λάσπης είχε σχηματιστεί μεταξύ των μεμβρανών, φράσσοντάς τες. Οι τιμές της TMP ήταν περίπου 100 mbar και η ροή ήταν σχεδόν 3,5 l/m2 h. Κάτω από αυτές τις προϋποθέσεις, εφαρμόστηκε δόνηση HFPV με σταδιακή αύξηση της ισχύος των σχημάτων δόνησης. Το σχήμα VT1 που εφαρμόστηκε δυο φορές επέτρεψε μια προσωρινή μικρή μέση βελτίωση της TMP κατά 9,5% καθώς και μια αύξηση στη ροή διηθήματος κατά 20%. Ακολούθησε η εφαρμογή ενός σχήματος δόνησης VT2, όπου καταγράφηκε μέση μείωση των τιμών TMP κατά 11% ενώ αυξήθηκε κατά 50% η μέση ροή διηθήματος μετά από την τρίτη εφαρμογή δόνησης οπότε παρατηρήθηκε ο κατακερματισμός του μόνιμου στρώματος έμφραξης που είχε σχηματιστεί μεταξύ των μεμβρανών. Η περαιτέρω εφαρμογή της μεθόδου HFPV με το ίδιο σχήμα δόνησης που εφαρμόστηκε μετά την απομάκρυνση του στρώματος ιλύος, κατέδειξε ότι μπορεί να εξασφαλίσει σταθερή συμπεριφορά των λειτουργικών χαρακτηριστικών, εμποδίζοντας την αύξηση της πίεσης και την μείωση της ροής διήθησης της μεμβράνης. Τα ανωτέρω πειράματα διεξήχθησαν με χαμηλή τροφοδοσία αέρα καθαρισμού μεμβρανών και αυτό έχει ιδιαίτερη ενεργειακή αξία αφού στις μεμβράνες H.F. το ενεργειακό κέρδος ξεπερνούσε το 30% της συμβατικής μεθόδου ενώ στις μεμβράνες F.S. αυτό άγγιξε το 85%. Στον πειραματικό κύκλο της αντίστροφης πλύσης (Α.Π.) μεμβρανών, οι τιμές της διαμεμβρανικής πίεσης πριν και μετά την εφαρμογή Α.Π. παρουσίασαν βελτίωση σε ποσοστά που κυμάνθηκαν από 16,7-28% ανάλογα με την θερμοκρασία του νερού Α.Π., τον τύπο της μεμβράνης, τον χρόνο εφαρμογής Α.Π. και την αρχική κατάσταση της μεμβράνης, ενώ τα αντίστοιχα ποσοστά βελτίωσης του Flux κυμάνθηκαν από 12% έως 25%. Τέλος στον πειραματικό κύκλο που εξετάστηκε η παρατεταμένη επίδραση της φυσικής μεθόδου χαλάρωσης των στοιχείων μεμβρανών σε διακοπτόμενη λειτουργία, οι τιμές των TMP & flux παρουσίασαν βελτίωση σε σχέση με τις τιμές τους πριν την διαδικασία σε ποσοστά τα οποία κυμάνθηκαν από 1,5-4% ανάλογα με τον χρόνο της διακοπής και τον τύπο της μεμβράνης. Τα πειραματικά αποτελέσματα της διατριβής δίνουν σαφείς ενδείξεις βελτίωσης της λειτουργικής απόδοσης μονάδων MBR με περιορισμό της έμφραξης των μεμβρανών. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν μπορούν να θεωρηθούν καινοτόμοι και εφαρμόσιμοι σε μεγάλης κλίμακας μονάδες εξασφαλίζοντας ενεργειακό και λειτουργικό όφελος.