Study of anaerobic biological wastewater treatment using membrane technology

Abstract

Στο πλαίσιο της επιταχυνόμενης παγκόσμιας ανάγκης για βιώσιμες περιβαλλοντικές πρακτικές, τεχνικές επεξεργασίας λυμάτων όπως οι Αναερόβιοι Βιοαντιδραστήρες Μεμβρανών (AnMBR) αναδύονται στο προσκήνιο των τεχνολογικών καινοτομιών. Ο AnMBR ξεχωρίζει όχι μόνο για τις χαμηλές ενεργειακές απαιτήσεις στην επεξεργασία των λυμάτων, αλλά και για την παραγωγή βιοαερίου - μιας εναλλακτικής μορφής παραγωγής ενέργειας. Παρόλα αυτά, ο AnMBR αντιμετωπίζει τις δικές του προκλήσεις. Η εξάρτηση του συστήματος από τα αναερόβια βακτήρια, τα οποία είναι γνωστά για το χαμηλό ρυθμό ανάπτυξής τους, σε συνδυασμό με την ποικιλομορφία της απόδοσης λόγω των μεταβλητών οργανικών φορτίων, θέτει πραγματικά προβλήματα λειτουργίας στον πραγματικό κόσμο. Η αναερόβια επεξεργασία λυμάτων εφαρμόζεται παραδοσιακά σε λύματα υψηλού ορφανικού φορτίου. Τα τελευταία χρόνια, εφαρμόζεται και σε λύματα χαμηλής οργανικής φόρτισης. Η έρευνά της παρούσας διδακτορικής διατριβής επικεντρώθηκε στην αναερόβια βιολογική επεξεργασία λυμάτων με την τεχνολογία μεμβρανών.Ο γενικός στόχος αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η έρευνα της βιώσιμης λειτουργίας ενός AnMBR στην επεξεργασία των υγρών αποβλήτων, σε συνθήκες περιβάλλοντος. Η προσέγγιση της συγκεκριμένης έρευνας είναι η εφαρμογή του AnMBR στην επεξεργασία πραγματικών αστικών υγρών απόβλητων και την ανάπτυξη πρωτοκόλλων λειτουργίας. Τα δεδομένα που θα προκύψουν από αυτή τη μελέτη προορίζονται να καθοδηγήσουν τους δήμους τόσο στην ενσωμάτωση αυτής της τεχνολογίας, όσο και στην αποτελεσματική λειτουργία και τις πιθανές βελτιώσεις των AnMBR, επικεντρώνοντας στην υψηλή βιωσιμότητα με βάση την ποιότητα του παραγόμενου νερού και τη μείωση της έμφραξης της μεμβράνης. Στόχοι διδακτορικής διατριβήςΠιο συγκεκριμένα, οι στόχοι της διδακτορικής διατριβής συνοψίζονται στα παρακάτω σημεία:1.Ανάλυση της Απόδοσης του AnMBR και δημιουργία πρωτοκόλλων για διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας: Αξιολόγηση της επίδρασης του Υδραυλικού Χρόνου Παραμονής (HRT), υψηλών οργανικών φορτίων και διακυμάνσεων της θερμοκρασίας στην αποτελεσματικότητα του AnMBR στην επεξεργασία των αστικών υγρών αποβλήτων. Κύριοι δείκτες απόδοσης γι' αυτόν τον στόχο περιλαμβάνουν: Ποιότητα του νερού εκροής σύμφωνα με τα ελληνικά και ευρωπαϊκά πρότυπα.Παραγωγή βιοαερίου, η ποσόστωση μεθανίου μαζί με την δυνατότητα παραγωγής ενέργειας.Έμφραξη μεμβράνης.2.Προσθήκη FeCl3 για ενίσχυση της απόδοσης του AnMBR: Αξιολόγηση των επιπτώσεων της προσθήκης FeCl3 στην ενίσχυση των λειτουργικών παραμέτρων του AnMBR, με επίκεντρο τη μείωση της έμφραξης της μεμβράνης σε συνδυασμό με την απομάκρυνση φωσφόρου. Οι παράμετροι απόδοσης περιλαμβάνουν:Δυναμική παραγωγής βιοαερίου και δυνατότητα παραγωγής ενέργειας από το μεθάνιο. Αποτελεσματικότητα απομάκρυνσης οργανικού φορτίου. Αποτελεσματικότητα απομάκρυνσης επιλεγμένων οργανικών μικρορύπων, ιδίως από τις ομάδες μη στεροειδών αντιφλεγμονωδών φάρμακων (NSAID) και ορμονικών διαταρακτών (EDC). 3. Τροποποίηση και Επαλήθευση του Μοντέλου ADM1 για το AnMBR: Προσαρμογή, εφαρμογή και βαθμονόμηση του Μοντέλου Αναερόβιας Χώνευσης 1 (ADM1) για την προσομοίωση της επεξεργασίας αστικών υγρών αποβλήτων μέσω του AnMBR. Ο στόχος των παραπάνω είναι: Η απεικόνιση της συμπεριφοράς του συστήματος AnMBR, στην ποιότητα εξόδου καθώς και την παραγωγή ενέργειας με βάση το μεθάνιο που παράγεται σε διάφορα σενάρια. Η βελτιστοποίηση των λειτουργικών παραμέτρων. Η παροχή ενός πλαισίου για μια ευρύτερη εφαρμογή και κατανόηση του AnMBR σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας υγρών αποβλήτων. Δομή διδακτορικής διατριβής. Η συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή περιλαμβάνει έξι κεφάλαια, τα οποία παρουσιάζονται περιληπτικά παρακάτω: Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή Αυτό το κεφάλαιο παρέχει μια επισκόπηση της έρευνας, αναλύοντας το πλαίσιο και τη σημασία της. Επίσης, περιγράφει τη δομή ολόκληρης της διδακτορικής διατριβής. Κεφάλαιο 2: Θεωρητικό Υπόβαθρο Αυτό το κεφάλαιο εξετάζει τις θεωρητικές βάσεις που υποστηρίζουν την έρευνα. Επικεντρώνεται στη διαδικασία αναερόβιας επεξεργασίας και τους παράγοντες που την επηρεάζουν. Εξετάζονται τα πλεονεκτήματα της αναερόβιας έναντι της αερόβιας επεξεργασίας. Λεπτομερείς πληροφορίες παρέχονται για διάφορα είδη αναερόβιας επεξεργασίας, καταλήγοντας σε μια εκτενή συζήτηση για το AnMBR, τις εφαρμογές του, τις προκλήσεις και τις πιθανές μελλοντικές κατευθύνσεις. Κεφάλαιο 3: Μεθοδολογία - Πειραματικό Πρωτόκολλο Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζεται η μεθοδολογία της έρευνας, αναλύοντας τα πειραματικά πρωτόκολλα και τις αναλυτικές μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν. Προσφέρει μια λεπτομερή ματιά στον αντιδραστήρα AnMBR εργαστηριακής κλίμακας περιγράφοντας τα λειτουργικά πρωτόκολλα για το εργαστηριακό AnMBR και τις τεχνικές παρακολούθησης για την αξιολόγηση της απόδοσής του. Κεφάλαιο 4: Αποτελέσματα πειραμάτων. Αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζει και αναλύει τα ευρήματα των πειραμάτων. Εξετάζει την απόδοση του AnMBR, σε διαφορετικούς Υδραυλικούς Χρόνους Παραμονής (HRT), διαφορετικές θερμοκρασίες και ερευνά τη βελτίωση ή όχι της απόδοσής του μετά την προσθήκη σιδήρου. Πιο συγκεκριμένα, η απόδοση του συστήματος AnMBR ερευνήθηκε για 3,5 χρόνια, μέσα στα θερμοκρασιακά εύρη 16-26°C. Η προσαρμοστικότητα του συστήματος δοκιμάστηκε σε διαφορετικά HRT - από 2 ημέρες έως 6 ώρες-, ενώ λαμβάνονταν υπόψη οι διαφορές λειτουργίας μεταξύ καλοκαιριού και χειμώνα. Ένα καίριο στοιχείο αυτής της έρευνας ήταν η εισαγωγή σιδήρου (σε συγκεντρώσεις 25 και 30 mg FeCl₃ L⁻¹), που έπαιξε σημαντικό ρόλο στον προσανατολισμό των αποτελεσμάτων του συστήματος όσον αφορά την ποιότητα του νερού εξόδου την παραγωγή βιοαερίου και τη μείωση της έμφραξης της μεμβράνης. Κεφάλαιο 5: Αποτελέσματα εφαρμογής μοντέλου ADM1 Αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζει ένα τροποποιημένο μοντέλο ADM1 προσαρμοσμένο στο εργαστηριακής κλίμακας σύστημα AnMBR. Το κεφάλαιο υπογραμμίζει την τροποποίηση, βαθμονόμηση και επικύρωση αυτού του μοντέλου για να αντιπροσωπεύει καλύτερα τις συνθήκες και τη δυναμική των AnMBR σε περιβαλλοντικές θερμοκρασίες. Το προσαρμοσμένο μοντέλο στη Matlab/Simulink υποβλήθηκε σε μια εκτενή Ανάλυση Ευαισθησίας (GSA) με τοπικές αλλά και καθολικές μεθόδους. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν τρεις διακριτικές τεχνικές: One At a Time (OAT), Morris και Fourier Amplitude Sensitivity Test (FAST). Αυτή η ανάλυση ευαισθησίας που βασίστηκε σε πειραματικά δεδομένα, οδήγησε σε βαθμονόμηση και επαλήθευση του μοντέλου εξασφαλίζοντας έτσι μεγαλύτερη ακρίβεια και ταύτιση στα πειραματικά αποτελέσματα. Κεφάλαιο 6: Συμπεράσματα. Το Κεφάλαιο Συμπερασμάτων περιλαμβάνει τα βασικά ευρήματα. Στοχεύει στην παροχή σαφούς εικόνας των πλεονεκτημάτων και των προκλήσεων της τεχνολογίας AnMBR στις Εγκαταστάσεις Επεξεργασίας Λυμάτων, ιδιαίτερα στις Μεσογειακές χώρες που έχουν κατά βάση ψυχροφιλικές θερμοκρασίες.

Keywords

Identifiers

DOI

10.12681/eadd/56518

Journal

Unknown journal

Year

2023