Επεξεργασία υγρών αποβλήτων με τη χρήση μεμβρανών

Abstract

The main research question that this thesis addresses is whether combined processes that employ membranes for the solid/liquid separation can be effectively employed for the removal of heavy metals and other pollutants from different industrial wastewater streams. The processes that are examined are the following: UF/MF, adsorption–UF/MF, precipitation/complexation–adsorption–UF/MF, MBR, adsorption–MBR, MBR–RO and MBR–RO–adsorption. Τhe processes of adsorption, precipitation/complexation, UF/MF are examined in laboratory scale systems, while pilot scale units of MBR, adsorption–MBR and MBR–RO

The evaluation of the laboratory scale processes is accomplished through the examination of various influential parameters which include the metal, the adsorbent, the solution characteristics and the membrane. Furthermore, heavy metal toxicity in biomass is investigated and its potential reduction through the addition of aluminosilicate minerals. Finally, the regeneration and reuse of adsorbents is examined, in order to render adsorption a more competitive process.

In pilot scale experiments, the performance of an MBR and a combined MBR–RO system for the treatment of municipal wastewater as well as wastewater contaminated with significant heavy metal concentrations in a total of five operational runs that lasted approximately one year. The aforementioned systems are evaluated with respect to the removal of heavy metals, organic matter, nitrogen from wastewater and the impact of heavy metals on biomass activity. Furthermore, the impact of vermiculite addition in the mixed liquor is investigated with respect to metal removal, biomass activity and membrane fouling. Moreover, this work investigates the treatment of the concentrate produced by the RO system with the use of fixed bed column packed with zeolite. Finally, in all membrane systems under investigation membrane fouling is examined. Particular, emphasis is given to the impact of heavy metals and minerals on membrane fouling.

The findings of this research show that combined processes of precipitation–adsorption–filtration can accomplish high metal removal from industrial wastewater. Consequently, mineral–UF, activated sludge–UF and activated sludge–mineral–UF systems can become feasible pre-treatment schemes that can be adopted by industries that require effective treatment of their wastewaters in order to safely discharge them into the municipal sewerage system or treat them further biologically without any inhibition problems. An industry may apply direct UF of wastewater coupled with adsorbents and then discharge the treated effluent into municipal sewers without any other treatment taking place at its premises.

The pilot scale application of the MBR system shows that this advanced wastewater treatment system achieves a high level of biological treatment of municipal and industrial wastewater. However, the feed stream must not cause excessive biomass inhibition problems. The results show that the MBR process can cope with the sudden discharge of significant heavy metal concentrations. Also, mineral addition can take place either as a pre-treatment stage in influent wastewater or directly inside the biological reactor.

Ο βασικός στόχος της διατριβής είναι η διερεύνηση της εφαρμογής κατάλληλων διεργασιών που βασίζονται στη χρήση μεμβρανών για την απομάκρυνση βαρέων μετάλλων και άλλων ρυπαντών από διαφορετικά ρεύματα βιομηχανικών υγρών αποβλήτων. Οι διεργασίες που εξετάζονται είναι: υπερδιήθηση/μικροδιήθηση, προσρόφηση–UF/MF, κατακρήμνιση–προσρόφηση–UF/MF, MBR, προσρόφηση–MBR, MBR-RO και MBR–RO προσρόφηση. Σε εργαστηριακή κλίμακα η αξιολόγηση των διεργασιών επιτυγχάνεται με την εξέταση της επίδρασης διαφορετικών παραμέτρων που σχετίζονται με το μέταλλο, τον προσροφητή, τα χαρακτηριστικά του διαλύματος στο οποίο λαμβάνει χώρα η διεργασία και τη μεμβράνη. Παράλληλα, διερευνάται η τοξικότητα των μετάλλων στην ενεργό ιλύ, η δυνατότητα εφαρμογής των ορυκτών για τη μείωση της τοξικής δράσης των μετάλλων, η δυνατότητα αναγέννησης και επαναχρησιμοποίησης των προσροφητών. Σε πιλοτική κλίμακα εξετάζεται η απόδοση του συστήματος MBR και του συνδυασμένου συστήματος MBR-RO για την επεξεργασία αστικών και βιομηχανικών υγρών αποβλήτων, η επίδραση της εφαρμογής βερμικουλίτη σε σύστημα MBR ως προς την απομάκρυνση των μετάλλων, τη δραστηριότητα της βιομάζας και την έμφραξη των μεμβρανών. Επίσης, εξετάζεται η επεξεργασία του παραγόμενου συμπυκνώματος RO με την εφαρμογή κλίνης ιοντοεναλλαγής πληρωμένης με ζεόλιθο. Τα βασικότερα ευρήματα της διατριβής που αφορούν τα εργαστηριακά πειράματα είναι: (i) Η απομάκρυνση των μετάλλων στις διεργασίες προσρόφησης–UF μειώνεται κατά τη σειρά: Pb>Cu>Cr3+>Zn>Ni. (ii) Η απομάκρυνση των μετάλλων εξαρτάται από τα αρχικά χαρακτηριστικά των υγρών αποβλήτων και ιδιαίτερα από το pH και το περιεχόμενό τους σε οργανικές και ανόργανες ουσίες. (iii) Η συγκέντρωση του ορυκτού και της ιλύος στο διάλυμα επιδρά σημαντικά στη διεργασία της προσρόφησης. (iv) Η προσρόφηση των μετάλλων στα ορυκτά στην ισορροπία περιγράφεται ικανοποιητικά από την εξίσωση Langmuir, ενώ η προσρόφηση των μετάλλων στην ενεργό ιλύ περιγράφεται από την εξίσωση Freundlich. (v) Ο συντελεστής διάχυσης Deff των μεταλλικών ιόντων στο μέσο προσρόφησης επηρεάζεται από το περιβάλλον στο οποίο πραγματοποιείται η προσρόφηση. (vi) Η αύξηση της έμφραξης λόγω της προσθήκης βαρέων μετάλλων στο τροφοδοτούμενο ρεύμα αποβλήτων ακολουθεί τη σειρά Cr>πολυσυστατικό(Pb, Zn, Cu, Ni)>Pb>Zn>Cu>Ni. (vii) Η προσθήκη ορυκτών στην ιλύ συμβάλλει στη μείωση της έμφραξης των μεμβρανών. (viii) Η τοξική δράση των μετάλλων στη δραστηριότητα της ετεροτροφικής βιομάζας ακολουθεί τη σειρά: Cu>Pb>Ζn>Ni. Η προσθήκη ορυκτών στην ενεργό ιλύ μειώνει την τοξική επίδραση των βαρέων μετάλλων, (x) Η διενέργεια διαδοχικών κύκλων προσρόφησης/εκρόφησης οδηγεί σε σημαντική μείωση της απόδοσης της προσρόφησης και της εκρόφησης.

Η λειτουργία του συστήματος MBR για την επεξεργασία υγρών βιομηχανικών αποβλήτων δείχνει ότι: (i) Η απομάκρυνση των μετάλλων από υγρά βιομηχανικά απόβλητα ακολουθεί τη σειρά Pb(98%)>Cu(80%)>Zn(77%)>Ni(50%). (ii) H προσθήκη βερμικουλίτη στο ανάμικτο υγρό έχει ευεργετικές δράσεις καθώς συμβάλλει σε αύξηση της απομάκρυνσης του Ni, Zn και Cu κατά 10-20%, στον περιορισμό της τοξικής επίδρασης των μετάλλων στη ιλύ και στην ανάπτυξη της βιομάζας. (iii) Η παρουσία σημαντικών συγκεντρώσεων βαρέων μετάλλων στα εισερχόμενα υγρά απόβλητα οδηγεί σε αναχαίτιση της ανάπτυξης της ετεροτροφικής βιομάζας. (iv) Η προσθήκη βερμικουλίτη και βαρέων μετάλλων στο MBR αυξάνει το ρυθμό έμφραξης των μεμβρανών. (v) Οι ποσοστιαίες απομακρύνσεις Cu, Pb, Ni και Zn με το σύστημα RO είναι 98.2, 99.5, 97.1 και 97.5% αντίστοιχα από το διήθημα MBR. Η υιοθέτηση του συνδυασμένου συστήματος MBR-RO απομακρύνει τα μέταλλα από τα υγρά βιομηχανικά απόβλητα σε ποσοστό >98.5%, ενώ η τελική εκροή ικανοποιεί τα αυστηρότερα όρια επαναχρησιμοποίησης. (vi) H κλίνη ιοντοεναλλαγής με ζεόλιθο απομακρύνει αποτελεσματικά το Cu, το Pb και τον Zn, ενώ η απομάκρυνση του Ni είναι αποτελεσματική κατά τα αρχικά στάδια λειτουργίας της κλίνης.