Επεξεργασία βοθρολυμάτων σε δεξαμενές σταθεροποίησης

Abstract

In Greece, natural systems (i.e., stabilisation ponds and constructed wetlands) for the treatment of sewage have already been built and are operating in small settlements. However, there are still many small settlements served by tanks, usually holding or percolating ones. The transport of septage from tanks in conventional treatment plants is not always possible due to a lack of appropriate facilities in their vicinity. Thus, the drivers of vacuum trucks are forced to dispose of the septage at the nearest convenient location, often in sensitive environmental areas such as rivers, streams, gullies, etc. Addressing this challenge by the local government is difficult; thus, the aim of this doctoral dissertation was to investigate treatment of septage in stabilisation ponds, and particularly operational problems or malfunctions that may arise under actual and real scale conditions as well as their impact on treatment efficiency. The experiment was performed in a full-scale pond system located 14 km west of Thessaloniki city, near “Gallikos” river in the area of Sindos. The experimental line consisted of a sequence of three ponds in series, i.e., one facultative pond (water depth of 1.75 m) followed by two maturation (water depth of 1.25 m). Each pond featured an area of 1,200 m² (60 m length x 20 m width) with an embankment slope of 2:1. All the ponds were lined with high-density polyethylene (HDPE; 1 mm) geomembranes. Vacuum trucks pumped septage from residential holding tanks and discharged it into the first pond. Gravity provided the pull needed to maintain water transport to the subsequent ponds. The experiment covered a period of 28 months (June 2008-September 2010). During the first 10 months of the experiment, duckweed (sp. Lemna m.) colonized the ponds and the system operated under duckweed covering (duckweed period). Over the following 5 months a gradual decay of duckweed began, and reeds (Typha) started to develop in the second pond (transitional period). Reeds were removed by artificial means at the end of this period. For the last 13 months of the experiment, the pond operation was based exclusively on algae (algal period). The average inflow rate was 44 m³/day, which corresponds to a small Greek village of approximately 300 p.e. The seasonal water supply of the system was varying with the higher value in the summer. This was done to simulate the population increase in many Greek settlements during the summer months because of tourism. Grab samples were collected from the vacuum truck and the exit of each pond on a weekly basis and nineteen (19) parameters were examined in the laboratory. On-site measurements of dissolved oxygen (DO) and water temperature (Tw) were made biweekly. The dense duckweed mat at the beginning of the experiment suppressed algae growth, limiting this way the DO production and prevented pH from elevating. Despite the anoxic pond conditions (DO < 1 mg L⁻₁), however, noxious odours were not observed, even during this period. Results showed that the values of 15 parameters were reduced at the exit of the last pond and those of other 4 parameters were increased. The pond system reduced the outflow of E. coli (99.71%), BOD₅ (94%), enterococci (92.74%), COD (61%), TSS (76%), NH₄⁺-N (75%), VSS (72%), TKN (71%), TN (70%), [N-(NO₃⁻+ NO₂⁻)] (52%), chl-a (52%), VS (36%), VDS (12%), ο-PO₄³⁻-P (16%) and alkalinity (4%). On the contrary, increased values were observed for TDS (74%), EC (50%), TS (41%) and pH (8%) after treatment in the stabilisation ponds, as was expected. Seasonal differences in the reduction of organic (BOD₅, TSS), nutrient (NH₄⁺-N, ο-PO₄³⁻-P) and microbial (E. coli, enterococci) load, between algal and duckweed period, were mostly observed in the warm season. Regarding the organic load, as expressed by BOD₅ and TSS, the treated septage complied with the 91/271/EEC Directive either as reduction or as concentration. COD concentration was marginally higher than the required one, except for the warm algal season. The percent reduction of TN was within limits, while the phosphorus removal was satisfactorily achieved in the warm algal period. Finally, E. coli concentration complied with the WHO limit of 1000 cfu/100 mL. Sludge levels were increasing and lowered according to season. Heavy metals were not found in remarkable concentrations due to the wastewater origin. An important point of the research was that a pond system can operate satisfactorily without the need of duckweed removal which is a difficult task for the local administrators of these systems. Empirical models, reflecting the particular local conditions, were developed for each pond. Percent reduction and concentration of BOD₅, TN, NH₄⁺-N, ο-PO₄³⁻-P, E. coli and enteroccocci were expressed as a function of various physico-chemical parameters. Initial concentration and pH were found to explain the most of the variances. Additionally, simple design models based on BOD₅, TN and E. coli removal were developed for predicting the hydraulic retention time and, therefore, the pond dimensions. These models were based on the estimation of the decay rate (Kb, d⁻¹) for each parameter with the aim to apply it on a larger scale and under different experimental conditions. The results were verified with other data from 36 regions in 21 countries, throughout the five continents.

Στην Ελλάδα έχουν ήδη κατασκευαστεί και λειτουργούν φυσικά συστήματα (δεξαμενές σταθεροποίησης και τεχνητοί υγρότοποι) για την επεξεργασία αστικών υγρών αποβλήτων σε μικρούς οικισμούς, που διαθέτουν αποχετευτικό δίκτυο. Πολλοί όμως μικροί οικισμοί στην Ελλάδα εξυπηρετούνται ακόμη από βόθρους, π.χ. στεγανούς, απορροφητικούς κλπ. Στις περιπτώσεις αυτές η διάθεση του περιεχομένου τους σε κατάλληλες μονάδες υποδοχής βοθρολυμάτων δεν είναι πάντοτε εφικτή, λόγω έλλειψης στην περιοχή τους τέτοιων εγκαταστάσεων, με συνέπεια την παράνομη διάθεσή τους σε ευαίσθητες περιβαλλοντικά περιοχές, όπως ρέματα, κλπ. Η αντιμετώπιση του προβλήματος από τους φορείς τοπικής αυτοδιοίκησης είναι δύσκολη και για το λόγο αυτό στην παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνήθηκαν, κάτω από πραγματικές συνθήκες λειτουργίας και κλίμακας, τα προβλήματα που μπορεί να ανακύψουν και οι επιπτώσεις τους στην αποτελεσματικότητα της επεξεργασίας βοθρολυμάτων σε δεξαμενές σταθεροποίησης. Το πείραμα έγινε στο ερευνητικό πεδίο φυσικών συστημάτων του ΕΘΙΑΓΕ στο Γαλλικό ποταμό στην περιοχή Σίνδου Ν. Θεσσαλονίκης. Χρησιμοποιήθηκε μία γραμμή δεξαμενών σταθεροποίησης με μία επαμφοτερίζουσα (βάθος νερού 1.75 m) και δύο ωρίμανσης (βάθος νερού 1.25 m). Οι τρείς δεξαμενές είχαν μήκος 60 m, πλάτος 20 m, κλίση πρανών 2:1 και ήταν επενδεδυμένες με γεωμεμβράνη. Τα λύματα προέρχονταν από στεγανούς βόθρους της περιοχής Σίνδου και με βυτιοφόρο μεταφέρονταν και εκκενώνονταν στην πρώτη δεξαμενή του συστήματος. Η συνολική διάρκεια του πειράματος ήταν 28 μήνες, από τον Ιούνιο 2008 έως το Σεπτέμβριο 2010. Κατά τους πρώτους 10 μήνες από την έναρξη των δειγματοληψιών (περίοδος duckweed), το είδος Lemna των duckweed αποίκησε με φυσικό τρόπο τις δεξαμενές. Τους επόμενους 5 μήνες (μεταβατική περίοδος), άρχισε η σταδιακή φυσική εξαφάνιση του duckweed, ενώ στη δεύτερη δεξαμενή, αναπτύχθηκαν, στο υπόστρωμα του duckweed, καλάμια (ψαθί), τα οποία στο τέλος της περιόδου αυτής απομακρύνθηκαν με τεχνητά μέσα. Τους τελευταίους 13 μήνες (περίοδος αλγών), η λειτουργία των δεξαμενών βασίστηκε αποκλειστικά στα άλγη. Η μέση ημερήσια παροχή λυμάτων ήταν 44 m³/ημέρα για τη συνολική διάρκεια του πειράματος και το σύστημα αντιστοιχούσε σε ένα τυπικό ελληνικό οικισμό 300 ι.κ. περίπου, με αυξομειούμενο πληθυσμό. Η παροχή αυτή ήταν μεγαλύτερη (50 m³/ημέρα) τους θερινούς και μικρότερη (35 m³/ημέρα) τους χειμερινούς μήνες. Η αύξηση της παροχής τη θερμή περίοδο έγινε επειδή το καλοκαίρι πολλοί οικισμοί στην Ελλάδα εμφανίζουν αύξηση του πληθυσμού τους. Από τις 19 συνολικά παραμέτρους που εξετάστηκαν κατά τη συνολική 28μηνη λειτουργία των δεξαμενών, οι 15 σημείωσαν μείωση στην έξοδό τους από το σύστημα, ενώ οι υπόλοιπες 4 σημείωσαν αύξηση. Mείωση σε σχέση με την αρχική τους συγκέντρωση είχαν τα E. coli ( 99.71%), BOD₅ (94%), εντερόκοκκοι (92.74%), COD (61%), TSS (76%), NH₄⁺+-N (75%), VSS (72%), TKN (71%), ΤΝ (70%), [Ν-(ΝΟ₃+ΝΟ₂)] (52%), chl-a (52%), VS (36%), VDS (12%), ο-PO₄³⁻-P (16%) και alk (4%). Σημείωσαν αύξηση τα TDS (74%), EC (50%), TS (41%), και pH (8%), όπως είναι σύνηθες στις δεξαμενές σταθεροποίησης. Σε αντίθεση με την περίοδο των αλγών, την αρχική περίοδο η κάλυψη των δεξαμενών με duckweed, εμπόδισε το ηλιακό φως να διεισδύσει στις βαθύτερες στρώσεις και συνεπώς την ανάπτυξη αλγών και παραγωγής οξυγόνου μέσω της φωτοσύνθεσης. Η στάθμη της ιλύος και οι συγκεντρώσεις βαρέων μετάλλων δεν παρουσίασαν αξιόλογες μεταβολές. Οσμές δεν παρατηρήθηκαν. Όσο αφορά τις στατιστικά σημαντικές διαφορές των BOD₅, TSS, NH₄⁺-N, o-PO₄³⁻-P, E. coli και εντερόκοκκων, κατά τη διάρκεια των δύο κύριων περιόδων λειτουργίας των δεξαμενών, οι περισσότερες παρατηρήθηκαν τη θερμή περίοδο. Συγκρίνοντας την ποιότητα των επεξεργασμένων εκροών του συστήματος με τις απαιτήσεις της Οδηγίας 1991/271/EEC της Ε.Ε. προέκυψε ότι τόσο κατά τη λειτουργία του με duckweed όσο και με άλγη το σύστημα ικανοποίησε πλήρως τα όρια της Ε.Ε, για τα BOD₅ και TSS, ενώ για το ΤΝ ικανοποίησε οριακά την κατώτερη % μείωση. Η συγκέντρωση του COD ήταν οριακά μεγαλύτερη του ορίου της Ε.Ε, η οποία όμως, τη θερμή περίοδο των αλγών, ήταν μικρότερη από το όριο αυτό. Τη θερμή περίοδο των αλγών η εκροή από το σύστημα ικανοποίησε το όριο για φώσφορο, που θέτει η Ε.Ε. για μεγάλα συμβατικά συστήματα επεξεργασίας λυμάτων. Όσο αφορά τα E.coli το όριο των 1000 cfu/100 mL, που θέτει ο Π.Ο.Υ. ικανοποιήθηκε κατά την περίοδο λειτουργίας του συστήματος τόσο με duckweed όσο και με άλγη. Το σύστημα δηλαδή λειτούργησε ικανοποιητικά, χωρίς να απαιτείται η συστηματική απομάκρυνση του duckweed, μία εργασία, που δύσκολα θα μπορούσε να υλοποιηθεί από τους φορείς λειτουργίας φυσικών συστημάτων επεξεργασίας. Έγινε εξαγωγή εμπειρικών μοντέλων για κάθε μία δεξαμενή, όσο αφορά την ποσοστιαία (%) μείωση και την συγκέντρωσή τους στην έξοδο για BOD₅, TN, NH₄⁺-N, ο-PO₄³⁻-P, E. coli και εντερόκοκκους. Τέλος έγινε εξαγωγή γενικότερων μοντέλων, έτσι ώστε αυτά να μπορούν να εφαρμοστούν σε ευρύτερη κλίμακα και κάτω από διαφορετικές πειραματικές συνθήκες για BOD₅, TN και E. coli. Τα γενικά μοντέλα πιστοποιήθηκαν με δεδομένα άλλων μελετών από 36 περιοχές, σε 21 χώρες και από τις πέντε ηπείρους. Η διαπίστωση ήταν ότι ένα εξαιρετικά απλής και οικονομικής κατασκευής σύστημα, από τρεις σε σειρά χωμάτινες δεξαμενές επενδεδυμένες με γεωμεμβράνη, μπορεί να ικανοποιήσει με επιτυχία και με μηδενικό κόστος λειτουργίας τις ανάγκες επεξεργασίας των βοθρολυμάτων ενός τυπικού οικισμού της Ελλάδας με αυξομειούμενο πληθυσμό.