Ανάπτυξη συστημάτων επεξεργασίας της ιλύος από απόβλητα

Abstract

Sludge is the main byproduct that derives from primary and secondary sedimentation during wastewater treatment. Treatment and final disposal of the produced sludge constitutes a huge problem since it is produced in large quantities and is also characterized by high concentrations of heavy metals and organic content. Considering the above, effective and safe disposal of the excess sludge should be an integral part of the wastewater treatment process.However, the cost of the currently employed methods for the treatment and disposal of the biological sludge (stabilization, aerobic or anaerobic digestion, landspreading, landfilling) exceed the operating costs of the wastewater treatment plant; and thus reducing the economic feasibility of the plant.Application of new technologies concerning wastewater treatment, result in higher production of sludge. Additionally, the stringent rules currently applied concerning land application of sludge require careful consideration of the technical method implied for the sustainable wastewater treatment.Considering the above, it is necessary to improve sludge’s quality by removing and/or stabilising toxic substances, so as to treat sludge properly and minimise the risk of negative environmental impacts.Today, biological sludge is no longer considered as a byproduct but as raw material for reuse (energy production, compost, etc). The main factor that influences decisively the reuse of sludge is its qualitative and quantitative characteristics, which are determined by the operational parameters of the wastewater treatment plant.In Greece, up until now the main method of sludge management is landfilling. Thus, the present study focuses on applying and adjustment of new management methods in Greek conditions and needs, and particularly on examining thermal hydrolysis of sludge. In particular, the method that was studied in the framework of this thesis was the thermal hydrolysis. Thermal hydrolysis is a new promising method of sludge treatment, resulting in sludge decomposition by applying thermal and acid treatment. To this end, samples of primary sludge were taken in different time periods of the year, and where then studied both quantitative and qualitative, so as to investigate the impact of the application of thermal hydrolysis. The sludge samples were fed to a batch reactor and submitted to thermal hydrolysis under different experimental conditions, namely: time, acid type, concentration and volume, temperature, pressure, pH.Thermal hydrolysis was implemented in two phases i.e.: the first phase during which the sludge samples were heated up to 80 – 85oC; and the second phase, during which the applied temperature was increased to 200oC. The optimum conditions of thermal hydrolysis of sludge, in terms of heavy metals removal in sludge, were: First phase: sludge was submitted to acidification by applying H2SO4, 40% v/v, at temperature 80-85oC for 60 minutes. Second phase: the product of first phase was further treated by applying temperatures 180-200oC and pressures 40 – 45 bar. The products, both intermediate and final, were also studied both quantitative and qualitative. From the results it was concluded that the characteristics of the final product were strongly improved, mainly in terms of organic load and heavy metal contentMore particularly the humidity and the sludge volume were decreased by 68% and 45%, correspondingly.As far as pH value is concerned, this was below 2, due to treatment with sulfuric acid; thus further treatment, e.g. with Ca(OH2), for increase of pH value, prior to final disposal, is needed.The organic content, in terms of COD and TOC, was decreased, due to hydrolysis and decomposition of complex organic compounds to simpler ones, resulting in stabilization of the final product that can be disposed off. It has to be mentioned that decomposition of organic compounds during thermal hydrolysis leads to production of biogas that can be used for energy production.The most important result of thermal hydrolysis is that the final product is, almost, free of heavy metals, as metal removal reached 94%, which is the main pollutant of sludge and the main barrier to its further management.Conclusively, the results of the present study regarding applying thermal hydrolysis in sludge were more than promising, mainly as far as removal of pollutants and sanitizing of sludge. Nevertheless, further investigation of this method, including treatment of biological sludge as well as feasibility study, is needed prior to its widely application.

Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή έλαβε χώρα για πρώτη φορά προσπάθεια εφαρμογής και προσαρμογής των διεθνών πρακτικών και μεθόδων διαχείρισης της ιλύος στην ελληνική πραγματικότητα, καθώς ο, σχεδόν, αποκλειστικός τρόπος διαχείρισης της ιλύος στη χώρα μας είναι η διάθεσή της σε χώρους υγειονομικής ταφής απορριμμάτων. Η θερμική υδρόλυση αποτελεί μια σχετικά νέα μέθοδο θερμικής επεξεργασίας της ιλύος, που έχει ως αποτέλεσμα την αποσύνθεση της ιλύος. Γενικά, η μέθοδος της υδρόλυσης είναι μία μέθοδος, η οποία προσαρμόζεται ανάλογα με το φορτίο του αποβλήτου, το λειτουργικό κόστος και τον επιθυμητό βαθμό κατεργασίας.Με βάση τα ανωτέρω οι κύριες συνιστώσες της παρούσας έρευνας αφορούσαν στα κάτωθι: - Πλήρη χαρακτηρισμό της πρωτοβάθμιας ιλύος που παράγεται από το Κέντρο Επεξεργασίας Λυμάτων στην Ψυττάλεια. Εφαρμογή της διαδικασίας της θερμικής υδρόλυσης σε διάφορες συνθήκες – επιλογή των βέλτιστων. Πλήρης χαρακτηρισμός του τελικού προϊόντος της θερμικής υδρόλυσης. Από τα παραπάνω στοιχεία είναι δυνατόν να: Εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με την υφιστάμενη κατάσταση της ιλύος και της περιβαλλοντικής επιβάρυνσης που αυτή είναι δυνατό να προκαλέσει. Εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με την επεξεργασία που η ιλύς είναι δυνατό να υποστεί και να δοθούν οι κατάλληλες κατευθυντήριες γραμμές σχετικά με τις διαδικασίες που πρέπει να εφαρμοσθούν. Εκτιμηθούν τα περιβαλλοντικά οφέλη από την επεξεργασία της ιλύος. Ακολούθως, έλαβε χώρα η εφαρμογή της μεθόδου της όξινης θερμικής υδρόλυσης στην ανωτέρω ιλύ, υπό διαφορετικές συνθήκες. Η διαδικασία της θερμικής υδρόλυσης αποτελείται από δύο στάδια: Αρχικά λαμβάνει χώρα οξίνιση της ιλύος και θέρμανση της σε θερμοκρασίες, της περιοχής των 80οC – 85οC. Ακολούθως, το προϊόν της όξινης υδρόλυσης του πρώτου σταδίου υφίσταται περαιτέρω αύξηση της θερμοκρασίας, μέχρι και 200οC, και αντίστοιχη της πίεσης του, μέχρι και 45 bar. Στη συνέχεια, επιλέχθηκαν οι βέλτιστες συνθήκες της επεξεργασίας κατόπιν ελέγχου των ακόλουθων παραμέτρων: Είδος οξέος Συγκέντρωση οξέος Χρόνος αντίδρασης Θερμοκρασία αντίδρασης Αναλογία μάζας ιλύος / όγκου οξέος Στο τελικό προϊόν της επεξεργασίας στις βέλτιστες συνθήκες έλαβε χώρα πλήρης χαρακτηρισμός του τελικού προϊόντος αλλά και των παραπροϊόντων της όλης διαδικασίας. Συμπερασματικά, τα αποτελέσματα της εφαρμογής της μεθόδου της θερμικής υδρόλυσης ήταν: Η μείωση του όγκου της προς διάθεση ιλύος. Η μείωση του ρυπαντικού φορτίου της προς διάθεση ιλύος, και ιδιαίτερα των βαρέων μετάλλων. Η διάσπαση των μεγάλων και πολύπλοκων οργανικών ενώσεων σε μικρότερες με αποτέλεσμα μείωση του οργανικού φορτίου της ιλύος και την παραγωγή προϊόντος που μπορεί να αξιοποιηθεί περαιτέρω ως πρώτη ύλη σε διάφορες διαδικασίες, όπως στην διεργασία της απονιτροποίησης, της κομποστοποίησης ή/και ως πηγές ενέργειας. Επομένως, το πιο σημαντικό αποτέλεσμα που προκύπτει από την παρούσα ερευνητική εργασία, είναι ότι η ιλύς που παράγεται από την επεξεργασία των υγρών αστικών λυμάτων, αν και είναι ιδιαίτερα ρυπασμένη, είναι δυνατό να αντιμετωπιστεί ως ένα προϊόν από το οποίο μπορούν να παραχθούν χρήσιμες πρώτες ύλες και όχι απλά ως ένα απόβλητο όπως αντιμετωπίζεται αποκλειστικά σήμερα στη χώρα μας. Το παραπάνω συμπέρασμα αποκτά ακόμα μεγαλύτερη σημασία αν αναλογιστεί κανείς την κατασκευή νέων βιολογικών σταθμών επεξεργασίας αλλά και την επέκταση των υφιστάμενων, που θα οδηγήσουν σε ακόμα μεγαλύτερες ποσότητες ιλύος προς διαχείριση.