Επεξεργασία λυμάτων

Προέλευση και είδη

Ο όρος λύματα αναφέρεται στα υγρά απόβλητα από τις κατοικίες (οικιακά λύματα) και τα υγρά απόβλητα από τις συνήθεις δραστηριότητες μιας πόλης (αστικά λύματα). Όταν τα υγρά απόβλητα μιας πόλης περιέχουν και σημαντικές ποσότητες υγρών βιομηχανικών αποβλήτων τότε ονομάζονται υγρά αστικά απόβλητα.
Τα οικιακά λύματα παράγονται από τις ανάγκες των ανθρώπων όπως η αφόδευση, η χρήση του μπάνιου, η προετοιμασία του φαγητού κ.α. Κατά μέσο όρο παράγονται 180 - 300 λίτρα ανά άτομο κάθε ημέρα. Τα αστικά λύματα παράγονται από δημόσια κτήρια, νοσοκομεία κ.λ.π. Η ποιότητα και η ποσότητα των βιομηχανικών αποβλήτων μεταβάλλεται συνεχώς και δεν είναι εύκολο να προσδιοριστεί, αφού πολλές βιομηχανίες ρίχνουν - παρανόμως - ανεπεξέργαστα τα απόβλητά τους στο αποχετευτικό δίκτυο μιας πόλης.

Σύνθεση των λυμάτων

Η σύνθεση των λυμάτων μπορεί να προσδιορισθεί χρησιμοποιώντας φυσικές, χημικές και βιολογικές διαδικασίες κ.α.

Από τι μολύνεται το νερό

Το μη επεξεργασμένο νερό περιέχει ρύπους, οι οποίοι δίνουν στο νερό χρώμα γεύση και οσμή. Αυτοί οι ρύποι περιλαμβάνουν ζωντανούς μικροοργανισμούς (ιούς, βακτήρια), οργανικά υλικά και ανόργανες ενώσεις. Μπορούν να προκαλέσουν ασθένειες όπως γαστρεντερίτιδα, ηπατίτιδα, τυφοειδή πυρετό και δηλητηρίαση.Υπάρχουν τρία είδη μικροοργανισμών στο νερό: Ανθρώπινης Προέλευσης, από αγροτικές φάρμες και από τα φυτά τα δάση και γενικότερα την φύση.

Στάδια επεξεργασίας λυμάτων

Υπάρχουν συνήθως τρία βασικά στάδια επεξεργασίας λυμάτων:

Πρωτοβάθμια επεξεργασία

Στοχεύει κυρίως στην αφαίρεση του αιωρούμενου υλικού (οργανικού και ανόργανου). Περιλαμβάνει, συνήθως, την Προεπεξεργασία και την Πρωτοβάθμια Καθίζηση. Η Προεπεξεργασία περιλαμβάνει την Εσχάρωση, τους Πολτοποιητές και τα Τριβεία, την Εξάμμωση, καθώς και την μέτρηση ή/και την εξισορρόπηση της παροχής. Στόχος της είναι η απομάκρυνση σωμάτων που επιπλέουν ή βρίσκονται σε αιώρηση στα λύματα και εγκυμονούν κινδύνους έμφραξης των αγωγών, καταστροφής του μηχανολογικού εξοπλισμού(π.χ αντλίες) και τελικώς δυσλειτουργίας των μονάδων επεξεργασίας που ακολουθούν.Η Πρωτοβάθμια Καθίζηση περιλαμβάνει δεξαμενές καθίζησης (συνήθως κυκλικής διατομής) που συχνά αναφέρονται εν συντομία ΔΠΚ (Δεξαμενές Πρωτοβάθμιας Καθίζησης)και έχει ως σκοπό να απομακρύνει τα αιωρούμενα οργανικά και ανόργανα στερεά (10⁻¹ έως 10⁻² mm), ώστε να μειωθεί το ρυπαντικό φορτίο που προορίζεται για τα επόμενα στάδια επεξεργασίας. Η πρωτοβάθμια καθίζηση αφαιρεί τα καθιζάνοντα στερεά υπό μορφή Πρωτοβάθμιας Ιλύος(Λάσπης) και το υπερκείμενο υγρό αποτελεί την πρωτοβάθμια επεξεργασμένη εκροή, που είναι διαθέσιμη προς περαιτέρω επεξεργασία.

Δευτεροβάθμια Επεξεργασία

Ως Δευτεροβάθμια Επεξεργασία νοείται η προχωρημένη επεξεργασία λυμάτων η οποία οδηγεί σε απομάκρυνση οργανικού άνθρακα, αζώτου και μερικές φορές και φωσφόρου (αναλόγως της εγκατάστασης). Κατά την δευτεροβάθμια επεξεργασία παρέχεται οξυγόνο στους μικροοργανισμούς ώστε αυτοί να οξειδώσουν τον οργανικό άνθρακα σε CO₂ μέσω της διαδικασίας της αναπνοής ενώ ταυτόχρονα τα αμμωνιακά (NH₄⁺) οξειδώνονται σε νιτρώδη (ΝΟ₂⁻) και στη συνέχεια σε νιτρικά (ΝΟ₃⁻). Σε κάποιο τμήμα του αντιδραστήρα όπου η συγκέντρωση του οξυγόνου είναι μηδενική τα νιτρικά μετατρέπονται σε αέριο άζωτο (Ν₂) το οποίο απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα. Έτσι επιτυγχάνεται η απομάκρυνση οργανικού άνθρακα και αζώτου από τα λύματα.

Τριτοβάθμια Επεξεργασία

Σκοπός της είναι η αφαίρεση βαρέων μετάλλων και τοξικών ή άλλων συστατικών. Το στάδιο αυτό είναι επιθυμητό όταν η παρουσία βιομηχανικών αποβλήτων στα λύματα είναι σημαντική και ο στόχος είναι η επαναχρησιμοποίηση των λυμάτων (π.χ στην βιομηχανία, για άρδευση ή για χώρους αναψυχής). Στο στάδιο αυτό περιλαμβάνονται επεξεργασίες όπως η κροκίδωση - ιζηματοποίηση, η διύλιση, η προσρόφηση από ενεργό άνθρακα και διεργασίες με μεμβράνες.

Αρχικό στάδιο καθαρισμού

Στο αρχικό στάδιο καθαρισμού απομακρύνονται υλικά όπως τα λίπη και τα έλαια και η άμμος. Εδώ εφαρμόζεται μηχανική μέθοδος. Κατόπιν, αφαιρούνται τα μεγάλα αντικείμενα, όπως τα ξύλα, τα σίδερα, κουτιά κ.α. Αυτό γίνεται επειδή υπάρχει περίπτωση να καταστραφούν οι εγκαταστάσεις του βιολογικού καθαρισμού αν αυτά τα υλικά περάσουν στο εσωτερικό. Εδώ χρησιμοποιούνται σχάρες για την κατακράτηση των στερεών υλικών.
Ύστερα γίνεται η ιζηματοποίηση. Σε όλες σχεδόν τις εγκαταστάσεις υπάρχει αυτό το στάδιο. Εκεί τα βαρέα λύματα ανεβαίνουν στην επιφάνεια (κόπρανα, λάσπη), ώστε να αφαιρεθούν.

Δεύτερο στάδιο

Στο δεύτερο στάδιο καθαρισμού αφαιρούνται βιολογικά απόβλητα, όπως τα ανθρώπινα απόβλητα, οι σάπωνες και τα απορρυπαντικά.
Η πλειονότητα των βιολογικών εγκαταστάσεων χρησιμοποιεί αερόβια αποικοδόμηση. Για να είναι αποτελεσματική η μέθοδος οι οργανισμοί που θα εκτελέσουν την αποικοδόμηση απαιτούν οξυγόνο και ένα υπόστρωμα για να ζήσουν. Υπάρχουν πολλοί τρόποι με τους οποίους μπορεί να γίνει αυτό. Σε όλες τις μεθόδους τα βακτήρια και τα πρωτόζωα (αποικοδομητές γενικότερα) καταναλώνουν υλικά όπως ζάχαρη.

Τριτοβάθμια (Χημική) Επεξεργασία

Η τριτοβάθμια επεξεργασία λυμάτων αφαιρεί σχεδόν όλο το ποσοστό των παθογόνων ουσιών κυρίως με χημικές διαδικασίες. Δεν μπορεί να εφαρμοστεί σε όλα τα εργοστάσια επεξεργασίας λυμάτων εξαιτίας του υψηλού κόστους του εξοπλισμού. Κύριος σκοπός είναι η αφαίρεση του φωσφόρου και του αζώτου. Το άζωτο μπορεί να βρίσκεται στο νερό με την μορφή αμμωνίας, η οποία είναι τοξική για τα ψάρια. Οι ενώσεις του φωσφόρου (άλατα) μπορούν να προκαλέσουν ευτροφισμό στις λίμνες ή στη θάλασσα.

Μη συμβατικές μέθοδοι επεξεργασίας λυμάτων

Ηλεκτρομαγνητικά Κύματα: Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία είναι η μετάδοση της ενέργειας στο χώρο με τη χρήση ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων. Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία μπορεί να προσδιοριστεί με βάση τη συχνότητα, το μήκος κύματος, την ενέργεια των φωτονίων. Για τον καθαρισμό του νερού τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα στην χαμηλότερη θέση της υπεριώδους δεσμίδας θα έχουν ως αποτέλεσμα την θέρμανση του νερού.

Διαχείριση Λάσπης

Η λάσπη (ιλύς) που θα προέλθει από τα λύματα πρέπει να υποστεί διαχείριση και επεξεργασία με αποτελεσματικό και ασφαλή τρόπο. Ο σκοπός της χώνευσης της λάσπης είναι η μείωση της οργανικής ύλης και των παθογόνων μικροοργανισμών. Οι πιο συνηθισμένες μέθοδοι επεξεργασίας της λάσπης είναι η αναερόβια χώνευση, η αερόβια χώνευση και η σύνθεση.

Αναερόβια χώνευση

Η αναερόβια χώνεψη είναι μια διαδικασία η οποία πραγματοποιείται με την απουσία οξυγόνου. Η διαδικασία μπορεί να είναι είτε θερμόφιλη χώνευση, στην οποία η λάσπη βρίσκεται υπό ζύμωση μέσα σε δεξαμενές σε θερμοκρασία 55° C. Ονομάζεται θερμόφιλη εξαιτίας των μικροοργανισμών που παίρνουν μέρος στην διαδικασία, οι οποίοι περιέχουν ένζυμα τα οποία λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες. Αυτά τα ένζυμα έχουν μεγάλη σημασία σε πολλές εφαρμογές της βιοτεχνολογίας. Επίσης, η διαδικασία μπορεί να είναι είτε μεσόφιλη δηλαδή σε θερμοκρασία 36° C. Κατά την αναερόβια χώνευση παράγεται βιοαέριο με υψηλή περιεκτικότητα σε μεθάνιο, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την θέρμανση των δεξαμενών καθώς και για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών των εγκαταστάσεων. Σε μεγάλες μονάδες επεξεργασίας λυμάτων μπορεί να παραχθεί περισσότερη ενέργεια από όση χρειάζεται για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών της μονάδας.

Υποπροϊόντα της διαδικασίας

Τα υποπροϊόντα της αναερόβιας επεξεργασίας οργανικών αποβλήτων είναι τρία. Πρώτον, το βιοαέριο, το οποίο ανάλογα με την ποσότητά του μπορεί να χρησιμοποιηθεί περαιτέρω σε τομείς της πράσινης ενέργειας, όπως η παραγωγή ατμού, η θέρμανση νερού και η καύση σε μονάδες CHP. Δεύτερον, η λάσπη (βιολογική ή χημική), η οποία χρειάζεται περαιτέρω επεξεργασία για να χρησιμοποιηθεί και τρίτον, το υγρό κλάσμα που παράγεται από την αφυδάτωση της βιολάσπης και χρειάζεται και αυτό περαιτέρω αερόβια επεξεργασία, για να μπορεί να διατεθεί πίσω στο περιβάλλον.

Επεξεργασία βιολογικής και χημικής λάσπης

Με τον όρο λάσπη εννοούνται τα υπολείμματα της επεξεργασίας των αποβλήτων, τα οποία βρίσκονται σε υγρή ή ημιστερεή μορφή. Η απομάκρυνση, η αποθήκευση, η διάθεση αλλά και η επεξεργασία της λάσπης αποτελούν προβλήματα προς επίλυση, καθώς μόνο ένα μικρό ποσοστό αυτής (0,25-12%) είναι στερεό και το υπόλοιπο είναι νερό, ενώ ταυτόχρονα το στερεό αυτό αποτελείται ουσιαστικά από την οργανική ύλη των αποβλήτων, η οποία δημιουργεί τις ίδιες οχλήσεις με αυτά, όταν βιοαποικοδομείται.
Η βιολογική λάσπη παράγεται εκτός των άλλων και ως αποτέλεσμα της αναερόβιας χώνευσης, όπως προαναφέρθηκε, και χρειάζεται επεξεργασία, για να μπορέσει να αξιοποιηθεί. Η επεξεργασία της βιολογικής λάσπης περιλαμβάνει την αποξήρανσή της μέσα από μια διαδικασία χώνεψης και συμπύκνωσης. Η αποξηραμένη λάσπη μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καλό λίπασμα, αφού περιέχει πολλά θρεπτικά συστατικά, όπως ιχνοστοιχεία, τα οποία την καθιστούν ένα άριστο εδαφοβελτιωτικό που μπορεί να υποκαταστήσει τα εμπορικά λιπάσματα.
Η χημική λάσπη παράγεται, όταν στη μονάδα επεξεργασίας των αποβλήτων έχουν χρησιμοποιηθεί χημικά για την καθίζηση και την απομάκρυνση ορισμένων συστατικών των λυμάτων. Τυπικό παράδειγμα χρήσης χημικών, που παράγει χημικές λάσπες, αποτελεί η χημική καθίζηση του φωσφόρου με την εφαρμογή ασβέστη. Σε κάποιες περιπτώσεις και ανάλογα με τη θέση προσθήκης των χημικών και την επεξεργασία της χημικής λάσπης αυτή μπορεί να αναμειχθεί με τη βιολογική λάσπη.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της αναερόβιας επεξεργασίας οργανικών αποβλήτων

Ένα από τα σημαντικότερα οφέλη της αναερόβιας χώνευσης είναι η παρεμπόδιση της εκπομπής μεθανίου στην ατμόσφαιρα, το οποίο εκπέμπεται φυσιολογικά κατά την αποσύνθεση των υλικών. Παράλληλα, η λάσπη που παράγεται από αυτή τη διαδικασία έχει μειωμένη μυρωδιά χωρίς όμως να έχουν μειωθεί τα θρεπτικά συστατικά, με αποτέλεσμα να μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως βιολίπασμα μετά την κατάλληλη επεξεργασία της. Επίσης, η δαπάνη ενέργειας για την αναερόβια επεξεργασία είναι μικρή, ενώ παράγεται βιοαέριο, το οποίο έχει ποικίλες χρήσεις ως θερμική ή ηλεκτρική ενέργεια. Τέλος, επιτυγχάνεται υψηλή απομάκρυνση οργανικού φορτίου.
Ωστόσο, ως διαδικασία παρουσιάζει και ορισμένα μειονεκτήματα. Καταρχάς είναι πιο αργή διαδικασία από την αερόβια επεξεργασία, γιατί απαιτείται μεγάλο χρονικό διάστημα εγκλιματισμού της μικροβιακής καλλιέργειας(ως 30 ημέρες). Επιπλέον παρατηρείται ευαισθησία των συστημάτων στις αυξομειώσεις της οργανικής φόρτισης καθώς και ευαισθησία των μεθανογόνων μικροοργανισμών σε πολλές τοξικές ενώσεις, ενώ η διεργασία εξαρτάται από τη θερμοκρασία και την κατανάλωση ενέργειας. Τέλος, δεν μπορεί να αγνοηθεί και η δυσοσμία του συστήματος, εφόσον περιέχονται θειικά στην εισροή καθώς και το υψηλό κόστος.

Αεροβική χώνευση

Η αεροβική χώνευση είναι μια βακτηριακή διαδικασία, η οποία λαμβάνει χώρα παρουσία οξυγόνου. Κάτω από αερόβιες συνθήκες, τα βακτήρια καταναλώνουν με γρήγορο ρυθμό την οργανική ύλη, μετατρέποντας την σε διοξείδιο του άνθρακα. Αφού η οργανική ύλη καταναλωθεί, τα βακτήρια πεθαίνουν και καταναλώνονται από άλλα βακτήρια. Τα πλεονεκτήματα της αερόβιας διαδικασίας είναι ότι πραγματοποιείται πολύ ταχύτερα, έχοντας έτσι μικρότερες κεφαλαιουχικές δαπάνες, δηλαδή αποδίδει περισσότερο. Το λειτουργικό κόστος, όμως, είναι πολύ μεγαλύτερο, εξαιτίας του ενεργειακού κόστους για τον αερισμό που χρειάζεται για την προσθήκη οξυγόνου στην διαδικασία.