Βιολογική αφαίρεση φωσφόρου με ταυτόχρονη απονιτροποίηση σε σύστημα διπλής ενεργού ιλύος για την επεξεργασία αστικών λυμάτων

Abstract

The increasing public awareness in environmental protection suggests the necessity for the implementation of new technologies in the field of water resources protection. The identification of nutrients, with emphasis in phosphorus (P) compounds, as the key factors causing eutrofication in water bodies, induced the prescription of specific regulations, since 1991, about the upper limits of nutrient emissions within the European Community (91/271/EC). As a result, the scientific research in the field of wastewater management during the past 2 decades has been oriented towards the development of new, effective and reliable treatment methods for phosphorus removal. These methods can be divided in two major groups, namely the chemical and the biological methods. The last ones are comparatively considered to be more effective from economical as well as environmental point of view. Enhanced Biological Phosphorus Removal (EBPR) has well proved its practical implementation as well as exceptional efficiency in nutrients removal. However, because of its complex biological nature, EBPR often becomes unreliable in municipal wastewater treatment. Additionally, the conventional EBPR methods, where phosphorus removal takes place under aerobic conditions, are really sensitive in certain environmental conditions, often met in full scale implementations. The main objective of the present dissertation is the investigation of biological phosphorus removal under anoxic conditions. This process is achieved by activated sludge enrichment with certain bacteria species, known as Denitrifying Phosphorus Accumulating Organisms (DPAOs). These organisms are able to utilize also NO3 -, instead of solely O2, for luxury phosphorus uptake and growth in an EBPR plant. The implementation of anoxic phosphorus removal can potentially lead to important advantages, compared to the conventional aerobic process. Some of them are the optimal utilization of organic substrate for the combined nitrogen and phosphorus removal, the energy savings through the minimal utilization of oxygen for phosphorus removal and the suppression of bulking sludge phenomena. In order to study the anoxic phosphorus removal process, a series of experiments were conducted in the laboratory, including batch tests and continuous flow plants treating synthetic as well as municipal wastewater. The anoxic phosphorus removal process has proved its practical feasibility, as well as its high efficiency in municipal wastewater treatment for the simultaneous removal of organic carbon and nutrients in a bench scale continuous flow plant, built according to the DEPHANOX design. The operational results obtained from the DEPHANOX plant were directly compared to the most well known EBPR process, the modified UCT method, and the economic benefits of the first were highlighted. In addition, the basic operational parameters affecting the anoxic phosphorus removal process were studied in a lab scale continuous flow plant treating synthetic wastewater. Moreover, the investigation of biological phosphorus removal kinetics under aerobic and anoxic conditions was conducted in batch tests. Similar experiments were conducted in order to study the effect of the organic substrate, added under anaerobic conditions, on the subsequent biological phosphorus uptake under aerobic and anoxic conditions. The dissertation conclusions are related to several considerations in the field of biological phosphorus removal from wastewater, regarding the process engineering, the operation of wastewater treatment plants, as well as the behavior of PAOs in various environmental conditions. The implementation of the scientific findings in the design and operation of a full scale plant, conducting biological phosphorus removal under anoxic conditions, still remains a challenge, in which this research hopes to partially contribute to.

Με την αύξηση της κοινωνικής ευαισθησίας σε θέματα προστασίας του περιβάλλοντος εντατικοποιείται η ανάγκη για την εφαρμογή τεχνολογιών για την προστασία των υδατικών πόρων. Με την αναγνώριση της συμβολής των θρεπτικών συστατικών, και κυρίως του φωσφόρου (Ρ), στην ανάπτυξη του φαινομένου του ευτροφισμού των υδάτων, ήδη από το 1991 η Ευρωπαϊκή Κοινότητα έχει θεσπίσει ανώτατα όρια εκπομπών των συγκεκριμένων συστατικών σε ευαίσθητους αποδέκτες (91/271/ΕΟΚ). Έτσι, η σχετική έρευνα, κυρίως κατά τις 2 τελευταίες δεκαετίες έχει προσανατολιστεί στην ανάπτυξη νέων, αποτελεσματικών και αξιόπιστων μεθόδων επεξεργασίας για την αφαίρεση φωσφόρου από υγρά απόβλητα. Οι μέθοδοι αυτές διαφοροποιούνται κυρίως σε δύο ομάδες, τις χημικές και τις βιολογικές μεθόδους, με τις τελευταίες να υπερτερούν από οικονομική και φιλοπεριβαλλοντική σκοπιά. Παρόλο που η Βιολογική Αφαίρεση Φωσφόρου (ΒΑΦ) έχει αποδείξει την αποτελεσματική της εφαρμογή στην πράξη, συνιστά, ταυτόχρονα, μία αρκετά ευαίσθητη διεργασία, κυρίως λόγω της εκτεταμένης μικροβιολογικής βάσης στην οποία στηρίζεται. Επιπρόσθετα, οι συμβατικές μέθοδοι βιολογικής αφαίρεσης φωσφόρου, κατά τις οποίες η αφαίρεσή του πραγματοποιείται υπό αερόβιες συνθήκες, συχνά καθίστανται αναποτελεσματικές λόγω της ευαισθησίας τους σε συγκεκριμένες λειτουργικές και περιβαλλοντικές συνθήκες. Η συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή έχει ως βασικό στόχο τη διερεύνηση της διεργασίας της βιολογικής αφαίρεσης φωσφόρου υπό ανοξικές συνθήκες. Η συγκεκριμένη διεργασία επιτυγχάνεται από βακτήρια αφομοίωσης φωσφόρου (Phosphorus Accumulating Organisms ή PAOs) με ικανότητα χρήσης και ΝΟ3 -, αντί αμιγώς Ο2, για τη δέσμευση Ρ από το μικτό υγρό ενός συστήματος ΒΑΦ. Η διεργασία αυτή συνοδεύεται από σημαντικά πλεονεκτήματα, έναντι της συμβατικής αερόβιας, με βασικότερα τη βέλτιστη χρήση του οργανικού υποστρώματος του υγρού αποβλήτου, την αποφυγή αερισμού στη διεργασία αφαίρεσης φωσφόρου και την καταστολή φαινομένων διόγκωσης ιλύος. Για το σκοπό αυτό, μία σειρά από πειραματικές διατάξεις που περιλαμβάνουν αντιδραστήρες διαλείποντος έργου και συστήματα συνεχούς ροής για την επεξεργασία συνθετικού υγρού αποβλήτου καθώς και πραγματικών αστικών λυμάτων χρησιμοποιήθηκαν στο εργαστήριο. Η μέθοδος της βιολογικής αφαίρεσης φωσφόρου υπό ανοξικές συνθήκες απέδειξε την πρακτική εφαρμοσιμότητά της στην επεξεργασία αστικών λυμάτων, καθώς και την υψηλή απόδοσή της σε αφαίρεση οργανικής ρύπανσης και θρεπτικών συστατικών, σε ένα σύστημα συνεχούς ροής σχεδιασμένο με βάση τη μέθοδο DEPHANOX. Επίσης, η σύγκριση των λειτουργικών και αναλυτικών δεδομένων που προέκυψαν για την συγκεκριμένη μέθοδο έναντι της πλέον διαδεδομένης μεθόδου αφαίρεσης θρεπτικών, της τροποποιημένης UCT, επέτρεψε την ποσοτικοποίηση των οικονομικών οφελών που προκύπτουν από την εφαρμογή της πρώτης, έναντι της δεύτερης. Σε ένα σύστημα συνεχούς ροής για την επεξεργασία συνθετικού υγρού αποβλήτου μελετήθηκαν οι βασικές λειτουργικές παράμετροι που επηρεάζουν τη διεργασία αφαίρεσης φωσφόρου υπό ανοξικές συνθήκες. Επιπλέον, πειράματα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου διενεργήθηκαν για τη μελέτη της κινητικής της διεργασίας αφαίρεσης Ρ υπό αερόβιες και ανοξικές συνθήκες. Σε αντίστοιχα πειράματα διερευνήθηκε η επιρροή που ασκεί η ποσότητα του οργανικού υποστρώματος που διατίθεται υπό αναερόβιες συνθήκες, στη διεργασία δέσμευσης Ρ κατά τις ακόλουθες αερόβιες και ανοξικές συνθήκες. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τη παρούσα έρευνα έχουν αναφορά σε ένα ευρύ φάσμα των σύγχρονων ερευνητικών ενδιαφερόντων περί της βιολογικής αφαίρεσης φωσφόρου σχετικά με το σχεδιασμό και λειτουργία συστημάτων επεξεργασίας αστικών λυμάτων, καθώς και τη συμπεριφορά των βακτηρίων PAOs σε διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες. Η, μέχρι σήμερα, αδυναμία μεταφοράς των ερευνητικών αποτελεσμάτων στη διαμόρφωση ενός συστήματος βιολογικής επεξεργασίας λυμάτων σε πλήρη κλίμακα, σχεδιασμένο για αφαίρεση φωσφόρου υπό ανοξικές συνθήκες, πιθανά οφείλεται στη σχετική ανεπάρκεια αντίστοιχων ερευνών με χρήση πραγματικών λυμάτων, γεγονός που, σε ορισμένο βαθμό, καλύπτει η συγκεκριμένη έρευνα.