ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΕΙΩΝ – ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΣΤΗ ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΛΙΚΩΝ

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ

ΒΟΗΘΗΤΙΚΕΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ

Μάριος Τσέζος Καθηγητής Ε.Μ.Π.

Αρτίν Χατζηκιοσεγιάν Χημικός Μηχανικός Ε.Μ.Π., M.Sc., Ph.D

ΑΘΗΝΑ 2012

3

ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ

1. ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΟΙΚΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ............................................................... 5

1.1. ΟΡΙΣΜΟΙ .................................................................................................................... 5

1.2. ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ............................................................................. 6

1.3. Ο ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ ΚΑΙ Η ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ .......................... 6

1.4. ΦΥΣΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΠΟΙΟΤΗΤΟΣ ΥΔΑΤΩΝ ............................................ 8 1.4.1. ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΑ ΣΤΕΡΕΑ (Suspended Solids) ......................................................... 8 1.4.2. ΘΟΛΕΡΟΤΗΤΑ (Turbidity) .................................................................................... 10 1.4.3. ΧΡΩΜΑ (Colour) ..................................................................................................... 12 1.4.4. ΓΕΥΣΗ ΚΑΙ ΟΣΜΗ (Taste and Odour) .................................................................. 13 1.4.5. ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ (Temperature) ............................................................................. 14

1.5. ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΧΗΜΙΚΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΥΔΑΤΟΣ ............................................ 15 1.5.1. ΓΙΝΟΜΕΝΑ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ............................................................................. 15 1.5.2. ΟΛΙΚΑ ΔΙΑΛΕΛΥΜΕΝΑ ΣΤΕΡΕΑ (Total Disolved Solids) ................................ 18 1.5.3. ΜΕΤΑΛΛΑ (Metals) ............................................................................................... 19 1.5.4. ΟΡΓΑΝΙΚΑ ΥΛΙΚΑ (Organics) .............................................................................. 20 1.5.5. ΘΡΕΠΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ (Nutrients) .................................................................... 23

1.6. ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΝΕΡΟΥ ........................................ 25 1.6.1. ΠΑΘΟΓΟΝΟΙ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ .................................................................... 26

2. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΝΑΠΤΗΞΗΣ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ ΚΑΜΠΥΛΗ ΑΝΑΠΤΗΞΗΣ ΠΛΗΘΥΣΜΟΥ ..................................................................................... 29

3. ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ ................................................ 31

3.1. ΕΙΔΙΚΕΣ ΠΕΡΙΠΤΩΣΕΙΣ / ΜΟΡΦΕΣ ΤΗΣ ΚΙΝΗΤΙΚΗΣ ΕΞΙΣΩΣΗΣ MONOD .................................................................................................................... 32

4. ΒΙΟΧΗΜΙΚΑ ΚΑΙ ΧΗΜΙΚΑ ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΟ ΟΞΥΓΟΝΟ.................................. 35

4.1. ΒΙΟΧΗΜΙΚΑ ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΟ ΟΞΥΓΟΝΟ (BOD) ............................................ 35

4.2. ΧΗΜΙΚΑ ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΟ ΟΞΥΓΟΝΟ (COD) ................................................... 40

4.3. ΑΣΚΗΣΕΙΣ ............................................................................................................... 41 4.3.1. Άσκηση 1 .................................................................................................................. 41 4.3.2. Άσκηση 2 .................................................................................................................. 42 4.3.3. Άσκηση 3 .................................................................................................................. 42 4.3.4. Άσκηση 4 .................................................................................................................. 43 4.3.5. Άσκηση 5 .................................................................................................................. 44 4.3.6. Άσκηση 6 .................................................................................................................. 45

5. ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ........................................ 46

5.1. ΑΦΑΙΡΕΣΗ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΑΝΟΡΓΑΝΩΝ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ ............................ 46 5.1.1. ΤΥΠΟΙ ΚΑΘΙΖΗΣ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ .......................................... 46

5.2. ΚΑΘΙΖΗΣΗ ΔΙΑΚΡΙΤΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ (ΚΑΘΙΖΗΣΗ ΤΥΠΟΥ Ι) .................... 47 5.2.1. ΣΥΝΟΠΤΙΚΟ ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ .................................................................... 47

5.3. ΑΣΚΗΣΗ ................................................................................................................... 54

5.4. ΠΡΩΤΟΒΑΘΜΙΑ ΚΑΘΙΖΗΣΗ – ΚΑΘΙΖΗΣΗ ΤΥΠΟΥ ΙΙ .................................... 57 5.4.1. ΣΥΝΟΠΤΙΚΟ ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ .................................................................... 57

5.5. ΑΣΚΗΣΗ ................................................................................................................... 59

5.6. ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΔΕΞΑΜΕΝΩΝ ΚΑΘΙΖΗΣΗΣ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΙΛΥΟΣ ΑΠΟ ΔΕΞΑΜΕΝΕΣ ΕΝΕΡΓΟΥ ΙΛΥΟΣ – ΠΑΧΥΝΣΗ ΜΕΣΩ ΒΑΡΥΤΗΤΑΣ (GRAVITY THICKENING) ........................... 63

5.6.1. Ιδιότητες βιολογικής λάσπης (ιλύος) από μονάδες ενεργού ιλύος ........................... 63 5.6.2. Κριτήρια σχεδιασμού δεξαμενών καθίζησης ενεργού ιλύος ................................... 65 5.6.3. Οι βασικές αρχές της θεωρίας της ροής (flux theory) .............................................. 68

6. ΑΡΧΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ .................................. 73

6.1. ΒΑΣΙΚΕΣ ΠΑΡΑΔΟΧΕΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΤΟ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ ΤΩΝ ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ .............................................................. 73

6.2. ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ (BIOLOGICAL REACTOR MODELS) ............................................................................................. 74

6.2.1. Αντιδραστήρες ασυνεχούς ροής / διαλείποντος έργου (batch reactors) .................. 74 6.2.2. Άσκηση ..................................................................................................................... 76 6.2.3. Αντιδραστήρες πλήρους ανάμιξης συνεχούς ροής (CSTR) χωρίς ανακύκλωση

στερεών (without recycle) ............................................................................... 77 6.2.4. Αντιδραστήρες πλήρους ανάμιξης συνεχούς ροής με ανακύκλωση στερεών

(well-mixed reactors with recycle) .................................................................. 80 6.2.5. Άσκηση ..................................................................................................................... 85

6.3. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΣΕ ΜΟΝΑΔΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΠΛΗΡΟΥΣ ΑΝΑΜΙΞΗΣ ......................................................................................... 86

6.4. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΣΕ ΠΑΧΥΝΤΗ ΔΙΑΥΓΑΣΗΣ ΝΕΡΟΥ ...................................... 89 6.4.1. Αντιδραστήρας εμβολικής ροής με ανακυκλοφορία βιολογικών στερεών

(continuous plug flow reactor with solids recycle). ........................................ 91

6.5. Σύγκριση βιολογικων αντιδραστήρων ...................................................................... 96

5

1. ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΟΙΚΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ

1.1. ΟΡΙΣΜΟΙ

Η ενασχόληση του μηχανικού με θέματα που άπτονται της τεχνολογίας προστασίας του πε-

ριβάλλοντος προϋποθέτει την σωστή κατανόηση της δομής και της λειτουργίας των οικο-

συστημάτων. Αναλυτικότερη παρουσίαση των αντίστοιχων πληροφοριών έχει γίνει σε μά-

θημα προηγουμένου εξαμήνου το οποίο έχει ως αντικείμενο την εισαγωγή στις έννοιες της

Περιβαλλοντικής Μηχανικής (Environmental Engineering). Είναι απαραίτητο να επαναφέ-

ρουμε μερικούς βασικούς ορισμούς ως συνδέσμους με την ύλη του προηγουμένου μαθήμα-

τος.

Περιβάλλον : Το σύνολο εξωτερικών παραγόντων και συνθηκών το οποίο επηρεάζει ζώντες

οργανισμούς καθ’ οιονδήποτε τρόπο. Το περιβάλλον περιλαμβάνει έμβιες και μη οντότητες.

Οικοσύστημα: Λειτουργούσα μονάδα του περιβάλλοντος η οποία περιλαμβάνει όλους τους

ζώντες οργανισμούς, τους φυσικούς παράγοντες, καθώς και τις αλληλοεπιδράσεις των μέσα σε

μια ορισμένη γεωγραφική περιοχή-χώρο (π.χ. λίμνη, έρημος, κλπ).

Τα γεωγραφικά όρια δύναται να είναι πολύ περιορισμένα (μικροοικοσυστήματα) ή πολύ

εκτεταμένα (π.χ. ολόκληρος ο πλανήτης).

Τα οικοσυστήματα περιέχουν ως συστατικά:

(α) Έμβια Συστατικά (Biotic Components).

(β) Μη ζώντα συστατικά (Abiotic Components).

Τα έμβια συστατικά ενός οικοσυστήματος διαχωρίζονται σε:

(1) Παραγωγούς Τροφής (Συνθέτουν μόνοι τους την τροφή τους).

(2) Καταναλωτές (Χρησιμοποιούν παραγωγούς οργανισμούς ως τροφή).

Οι καταναλωτές ιεραρχούνται ανάλογα με το είδος της τροφής τους, στις ακόλουθες κατη-

γορίες:

Χορτοφάγοι οργανισμοί (Herbivores)

Σαρκοφάγοι οργανισμοί (Carnivores)

Ανώτεροι Σαρκοφάγοι οργανισμοί (Higher Carnivores)

Παμφάγοι οργανισμοί (Omnivores)

Υπολειμματοφάγοι οργανισμοί (Detritus Feeders)

Τα έμβια μέλη ενός οικοσυστήματος οργανώνονται σε Τροφικές Αλυσίδες

6

Τροφική Αλυσίδα: Σειρά τροφικά αλληλεξαρτημένων οργανισμών. Στη βάση μιας τροφικής

αλυσίδας συνήθως βρίσκονται παραγωγοί οργανισμοί.

Στο Περιβάλλον λειτουργούν πολλοί φυσικοί κύκλοι τους οποίους ήδη έχουμε παρουσιά-

σει αναλυτικά όπως οι ακόλουθοι:

Κύκλος του νερού

Κύκλος του Ανθρακος

Κύκλος του Αζώτου κλπ

Κύρια πηγή ενέργειας που τροφοδοτεί την λειτουργία των διεργασιών της φύσης είναι η

ηλιακή ακτινοβολία.

1.2. ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ

Ρυπαντές: Φυσικές, χημικές ή βιολογικές οντότητες των οποίων η συγκέντρωση υπερβαίνει

την μέση τιμή της φυσικής τους συγκέντρωσης στο περιβάλλον ενός οικοσυστήματος.

Ο προσδιορισμός της ποιότητος του περιβάλλοντος γίνεται μέσω της μέτρησης σειράς πα-

ραμέτρων. Τα προβλήματα ρύπανσης του περιβάλλοντος, τελικά, συνήθως καταλήγουν σε

προβλήματα ρύπανσης υδάτων (π.χ. όξινη βροχή)

1.3. Ο ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ ΚΑΙ Η ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ

Λόγω της ιδιαίτερης σημασίας του νερού στην Περιβαλλοντική Μηχανική συνοψίζονται

κατωτέρω μερικά βασικά χαρακτηριστικά του υδρολογικού κύκλου.

Το νερό είναι μία από τις αφθονότερες ενώσεις στη φύση, που καλύπτει σχεδόν τα 3/4 της

επιφάνειας της γης. Παρά τη φανερή αφθονία πολλοί είναι οι παράγοντες που περιορίζουν

την ποσότητα του νερού η οποία είναι διαθέσιμη για ανθρώπινη χρήση. Περισσότερο από το

97% της συνολικής ποσότητας του νερού περιέχεται στους ωκεανούς, στις αλμυρές λίμνες

και θάλασσες, πράγμα που το καθιστά ακατάλληλο για πολλές χρήσεις. Από το υπόλοιπο

3% λίγο περισσότερο από το 2% ευρίσκεται δεσμευμένο σαν πάγος στα πολικά παγόβουνα

και, σαν υγρασία στην ατμόσφαιρα και στο χώμα. Το ποσοστό αυτό επίσης δεν είναι εύκολα

διαθέσιμο. Έτσι, οι κοινωνίες για τη ζωή και για τις διάφορες τεχνικές και αγροτικές δρα-

στηριότητες εξαρτώνται κυρίως από το υπολειπόμενο περίπου 0.6% του νερού που βρίσκε-

ται σε λίμνες, ποτάμια καθώς και σε σχετικά εύκολα εκμεταλλεύσιμους υδροφόρους ορίζο-

ντες μέσα στο υπέδαφος.

Το νερό βρίσκεται σε διαρκή κίνηση στον υδρολογικό κύκλο. Το ατμοσφαιρικό νερό συ-

μπυκνώνεται και πέφτει στη γη σαν βροχή, χιόνι ή με κάποιες άλλες μορφές κατακρήμνισης.

7

Όταν φτάσει στην επιφάνεια της γης, το νερό ρέει σε ποτάμια, λίμνες και ωκεανούς ή διη-

θείται μέσα στο χώμα στους υδροφόρους ορίζοντες που τελικά καταλήγουν σε επιφανειακά

νερά.

Μέσω της εξάτμισης από τα επιφανειακά νερά και της εξατμισοδιαπνοής

(evapotranspiration) από τα φυτά, τα μόρια του νερού ξαναγυρίζουν στην ατμόσφαιρα για

να επαναλάβουν τον κύκλο. Αν και η κίνηση διαμέσου ορισμένων τμημάτων του κύκλου

μπορεί να είναι σχετικά γρήγορη, η πλήρης ανακύκλωση των υπόγειων υδάτων αργεί πολύ.

Το νερό στη φύση είναι περισσότερο καθαρό όταν προέρχεται από εξάτμιση. Η συμπύκνω-

ση των ατμών συνήθως χρειάζεται μία επιφάνεια ή έναν πυρήνα συμπυκνώσεως απ' όπου

κατά τη διάρκεια της συμπύκνωσης το νερό μπορεί να αποκτήσει προσμίξεις. Επιπλέον

προσμίξεις προστίθενται καθώς το νερό ταξιδεύει στον υπόλοιπο υδρολογικό κύκλο και έρ-

χεται σε επαφή με διάφορα υλικά και με τον αέρα πάνω ή και κάτω από την επιφάνεια του

εδάφους. Οι δραστηριότητες του ανθρώπου συνεισφέρουν περαιτέρω, στις προσμίξεις, με τα

βιομηχανικά και οικιακά απόβλητα, τα χημικά που χρησιμοποιούνται στη γεωργία και με

άλλους λιγότερο προφανείς ρυπογόνες δραστηριότητες.

Αυτό που μας ενδιαφέρει περισσότερο είναι η ποιότητα του νερού στα ενδιάμεσα στάδια

του υδρολογικού κύκλου δεδομένου ότι σ' αυτά τα στάδια η ποιότητα του νερού επιδρά στη

δυνατότητα χρησιμοποίησης του από τον άνθρωπο.

Οι προσμίξεις που έχουν συσσωρευτεί στο νερό, κατά τη διάρκεια του υδρολογικού κύκλου,

καθώς και σαν συνέπεια των δραστηριοτήτων του ανθρώπου, μπορεί να βρίσκονται σε μορ-

φή αιωρήματος ή και να είναι διαλελυμένες στο νερό. Τα αιωρούμενα υλικά αποτελούνται

από σωματίδια μεγαλύτερα από το μέγεθος του μορίου και παραμένουν εν αιωρήσει μέσα

στο νερό από διάφορες ανυψωτικές δυνάμεις. Τα διαλελυμένα υλικά αποτελούνται από ενυ-

δατωμένα μόρια ή ιόντα. Τα κολλοειδή είναι πολύ μικρά σωματίδια που πρακτικά αιωρού-

νται, αλλά συχνά επιδεικνύουν πολλά από τα χαρακτηριστικά των διαλελυμένων ουσιών.

Ως ρύπανση του νερού μπορεί να οριστεί η παρουσία στο νερό προσμίξεων σε συγκέντρωση

υψηλότερη του φυσικού μέσου όρου, οι οποίες συνήθως εμποδίζουν τη χρήση του νερού για

συγκεκριμένους σκοπούς.

Η γνώση των παραμέτρων που συνδέονται με την επεξεργασία του νερού και των υγρών

απόβλητων είναι ουσιώδης για το μηχανικό του περιβάλλοντος. Το υπόλοιπο αυτού του κε-

φαλαίου θα αφιερωθεί στην παρουσίαση παραμέτρων που χρησιμοποιούνται στην εκτίμηση

των φυσικών, χημικών και βιολογικών χαρακτηριστικών του νερού.

8

1.4. ΦΥΣΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΠΟΙΟΤΗΤΟΣ ΥΔΑΤΩΝ

Φυσικές παράμετροι (Physical Parameters) είναι τα χαρακτηριστικά εκείνα του νερού που

ανταποκρίνονται στις αισθήσεις όπως της όρασης, της αφής, της γεύσης κ.λ.π. Τα αιωρού-

μενα στερεά, η θολερότητα, το χρώμα, η γεύση, η οσμή και η θερμοκρασία ανήκουν σ' αυτή

την κατηγορία.

1.4.1. ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΑ ΣΤΕΡΕΑ (Suspended Solids)

Όπως σημειώθηκε και προηγουμένως, στερεά ευρίσκονται διασκορπισμένα στο νερό είτε σε

μορφή αιωρήματος είτε διαλελυμένα Τα διαλελυμένα στερεά μερικές φορές μπορούν να γί-

νουν αντιληπτά από τις αισθήσεις, εμπίπτουν περισσότερο στην κατηγορία των χημικών πα-

ραμέτρων και θα συζητηθούν διεξοδικότερα σε επόμενες παραγράφους. Τα χαρακτηριστικά

των αιωρούμενων στερεών παρουσιάζονται κατωτέρω

Στο νερό τα αιωρούμενα στερεά μπορεί να αποτελούντα από ανόργανα ή οργανικά σωματί-

δια ή μη αναμίξιμα υγρά. Τα ανόργανα στερεά όπως η άργιλος, η ιλύς και άλλα συστατικά

του χώματος απαντώνται συχνά στα επιφανειακά νερά. Οργανικά υλικά όπως ίνες φυτών και

βιολογικά στερεά (βακτηρίδια, κλπ) είναι επίσης συνήθη συστατικά των επιφανειακών νε-

ρών. Εξαιτίας της δράσης του χώματος ως φίλτρου, τα υπόγεια νερά σπάνια περιέχουν αιω-

ρούμενα στερεά.

Αιωρούμενα στερεά μπορούν να προκύψουν και από την ανθρώπινη χρήση του νερού. Τα

αστικά υγρά απόβλητα περιέχουν σημαντικές ποσότητες αιωρούμενων στερεών, κυρίως ορ-

γανικής φύσεως. Από τη βιομηχανική χρήση του νερού, είναι δυνατόν να προκύψει μεγάλη

ποικιλία αιωρούμενων προσμίξεων, οργανικής η ανόργανης φύσης. Μη αναμίξιμα οργανικά

υγρά όπως λάδια και λιπαντικά αποτελούν επίσης συνήθη αιωρούμενα συστατικά των υ-

γρών αποβλήτων.

Η παρουσία αιωρούμενων στερεών δεν είναι αποδεκτή στο νερό για πολλούς λόγους. Πρώ-

τα απ' όλα είναι θέμα αισθητικής και δεύτερον προσφέρουν θέσεις για την προσρόφηση α-

νεπιθύμητων χημικών και βιολογικών παραγόντων. Αιωρούμενα οργανικά στερεά μπορούν

να αποικοδομηθούν βιολογικά με πιθανότητα να δημιουργηθούν ανεπιθύμητα παραπροϊό-

ντα. Βιολογικώς ενεργά αιωρούμενα στερεά μπορούν να περιέχουν μικροοργανισμούς που

προκαλούν ασθένειες ή και μικροοργανισμούς (π.χ. φύκη) που παράγουν ανεπιθύμητες ου-

σίες.

Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι για τη μέτρηση των αιωρούμενων στερεών. Οι περισσότερες

είναι σταθμικές μέθοδοι που σχετίζονται με τη μέτρηση της μάζας του υπολείμματος κατάλ-

9

ληλης επεξεργασίας του δείγματος. Η μέτρηση των Ολικών Στερεών (Total Solids) μετράει

όλα τα στερεά στο νερό (οργανικά και ανόργανα) είτε είναι αιωρούμενα είτε διαλελυμένα.

Αυτή η μέτρηση γίνεται με την πλήρη εξάτμιση του δείγματος, ξήρανση και ζύγιση του υ-

πολείμματος.

Η ολική ποσότητα του στερεού υπολείμματος εκφράζεται συνήθως σε mg/L. Για τον ορθό

προσδιορισμό της ξηρής μάζας απαιτείται θερμοκρασία ξήρανσης ελαφρά πάνω από το ση-

μείο βρασμού του νερού (104°C) ώστε να απομακρυνθεί ακόμα και το νερό που έχει προσ-

ροφηθεί πάνω στην επιφάνεια σωματιδίων ενώ μία θερμοκρασία γύρω στους 108°C είναι

απαραίτητη για να εξατμίσει και το απορροφηθέν από τα αιωρούμενα στερεά νερό.

Τα περισσότερα αιωρούμενα στερεά μπορούν να απομακρυνθούν από το νερό με διήθηση.

Έτσι, η συγκέντρωση των αιωρούμενων στερεών, σε ένα δείγμα νερού, μπορεί να υπολογι-

σθεί προσεγγιστικά διηθώντας το νερό, ξηραίνοντας το φίλτρο με τα στερεά στους 104° C,

και μετρώντας τη μάζα του στερεού υπολείμματος που παρέμεινε στο φίλτρο. Τα αποτελέ-

σματα της μέτρησης των ολικών αιωρούμενων στερεών (Total Suspended Solids) εκφράζο-

νται ως ξηρή μάζα ανά μονάδα όγκου δείγματος(π.χ. mg/L)

Το ποσό των Ολικών Διαλελυμένων Στερεών (Total Dissolved Solids) που διαπερνά το φίλ-

τρο και εκφράζεται ως μάζα ανά μονάδα όγκου διαλύματος(π.χ. mg/L) αποτελεί τη διαφορά

μεταξύ των ολικών στερεών και των αιωρούμενων στερεών που περιέχονται σε ένα δείγμα

νερού.

Πρέπει να σημειωθεί ότι η διήθηση του νερού δε διαχωρίζει ακριβώς τα στερεά σε αιωρού-

μενα και διαλελυμένα σύμφωνα με τους ορισμούς που παρουσιάσθηκαν. Μερικά κολλοειδή

μπορούν να περάσουν από το διηθητικό μέσο (να μην κατακρατηθούν) και να μετρηθούν

μαζί με το κλάσμα των διαλελυμένων στερεών ενώ μερικά διαλελυμένα στερεά να προσρο-

φηθούν από το υλικό του φίλτρου και να κατακρατηθούν. Γι' αυτό το λόγο, χρησιμοποιού-

νται συχνά οι όροι "διηθήσιμα" (filterable) και "μη διηθήσιμα" (non filterable) στερεά. Τα

διηθήσιμα στερεά περνούν από το φίλτρο μαζί με το νερό και προσομοιάζουν περισσότερο

με τα διαλελυμένα στερεά, ενώ τα μη διηθήσιμα συμπεριφέρονται περισσότερο σαν τα αιω-

ρούμενα στερεά.

"Διηθήσιμα" και "μη διηθήσιμα" στερεά είναι όροι που χρησιμοποιούνται συχνότερα στις

εργαστηριακές αναλύσεις, ενώ "διαλελυμένα" και "αιωρούμενα" στερεά είναι όροι που χρη-

σιμοποιούνται συχνά, στην πράξη, στη μηχανική περιβάλλοντος.

10

Εφόσον τα δείγματα έχουν ξηρανθεί το οργανικό περιεχόμενο των συνολικών και των αιω-

ρούμενων στερεών μπορεί να υπολογιστεί με θέρμανση του στερεού υπολείμματος στους

600°C για 1 hr. Το οργανικό κλάσμα (Organic Content) θα μετατραπεί σε διοξείδιο του άν-

θρακα, υδρατμό και άλλα αέρια και υπολογίζεται από την επακόλουθη διαφορά βάρους του

ηθμού πριν και μετά την πύρωση. Το υλικό που θα παραμείνει στον ηθμό μετά την πύρωση,

αποτελεί το ανόργανο κλάσμα των στερεών (τέφρα). Κατά τη μέτρηση των οργανικών αιω-

ρούμενων στερεών, χρησιμοποιούνται φίλτρα με ίνες ύαλου ή άλλων υλικών που παραμέ-

νουν αναλλοίωτα στις αυξημένες θερμοκρασίες που χρησιμοποιούνται κατά τη διαδικασία

της μέτρησης. Το οργανικό κλάσμα των αιωρούμενων στερεών αναφέρεται και ως πτητικό

κλάσμα (Volatile solids)

1.4.2. ΘΟΛΕΡΟΤΗΤΑ (Turbidity)

Σε δείγματα από καθαρές πηγές νερού ή από παροχές πόσιμου νερού δεν γίνεται χρήση των

κλασσικών σταθμικών μεθόδων της απ’ ευθείας μέτρησης των αιωρούμενων στερεών . Σε

αυτές τις περιπτώσεις για την έμμεση μέτρηση των αιωρούμενων στερεών χρησιμοποιείται

συνήθως η παράμετρος της θολερότητας.

Η μέτρηση της θολερότητας ανάγεται στο κατά πόσο διερχόμενο φως απορροφάται ή σκε-

δάζεται από τα αιωρούμενα σωματίδια του δείγματος. Επειδή η απορρόφηση και η σκέδαση

επηρεάζεται τόσο από το μέγεθος όσο και από τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας του αιω-

ρούμενου υλικού, η θολερότητα δεν αποτελεί πάντα μία άμεση ποσοτική μέτρηση των αιω-

ρούμενων στερεών. Για παράδειγμα, ένα μικρό πετραδάκι σε ένα ποτήρι νερό δε θα προκα-

λούσε πρακτικά μετρήσιμη θολερότητα. Αν όμως αυτό το ίδιο πετραδάκι θρυμματιζόταν σε

χιλιάδες μικρά κομμάτια μεγέθους κολλοειδούς, και κατόπιν διασπείρετο στον ίδιο, όπως

προηγουμένως όγκο νερού, θα δημιουργούσε υψηλή θολερότητα.

Τις περισσότερες φορές η θολερότητα των επιφανειακών νερών προκύπτει από παρουσία

κολλοειδών υλικών όπως πηλός, ιλύς, κομμάτια πετρωμάτων και οξείδια μετάλλων από το

χώμα. Στην θολερότητα μπορεί να συνεισφέρουν επίσης φυτικές ίνες και μικροοργανισμοί.

Σαπούνια, μέσα καθαρισμού και άλλοι, γαλακτωματοποιητικοί παράγοντες προκαλούν τη

δημιουργία σταθερών κολλοειδών που επίσης συμβάλλουν στη θολερότητα των φυσικών

υδάτων. Η τελική διάθεσή επεξεργασμένων η μη υγρών αποβλήτων σε φυσικούς αποδέκτες

έχει τη δυνατότητα να αυξήσει την θολερότητα του νερού των αποδεκτών.

11

Το κολλοειδές υλικό, που σχετίζεται με τη θολερότητα, παρέχει και θέσεις προσρόφησης για

χημικές ουσίες, που μπορεί να είναι βλαβερές ή να προκαλούν δυσάρεστες γεύσεις και ο-

σμές, αλλά και για μικροοργανισμούς που ίσως να είναι επικίνδυνοι.

Στα φυσικά υδάτινα σώματα (ποτάμια, λίμνες κλπ.) η θολερότητα μπορεί να προσδώσει κα-

φέ ή άλλο χρώμα στο νερό. Το χρώμα εξαρτάται από τις ιδιότητες απορρόφησης του φωτός

των αιωρούμενων στερεών, που την προκαλούν, επηρεάζει την διείσδυση του ηλιακού φω-

τός στο νερό και παρεμβαίνει στην διαδικασία της φωτοσύνθεσης.

Η θολερότητα μετράται φωτομετρικά καθορίζοντας το ποσοστό φωτός, γνωστής έντασης,

που απορροφάται ή διαθλάται. Η αρχική συσκευή μέτρησης, η οποία λέγεται Θολόμετρο

Jackson, βασιζόταν στην απορρόφηση του φωτός ενός καθορισμένου προτύπου κεριού σε

μια συγκεκριμένη διάταξη μέτρησης. Το κερί είναι τοποθετημένο μέσα σε μία μαύρη μεταλ-

λική θήκη έτσι ώστε το φως του κεριού να είναι ορατό μόνο από την επάνω πλευρά της συ-

σκευής. Το δείγμα του νερού του οποίου μετράται η θολερότητα προστίθεται αργά στον σω-

λήνα δείγματος της συσκευής μέχρι το ύψος που το φως του κεριού να μην είναι πλέον ορα-

τό από τον παρατηρητή, δηλαδή να υπάρχει ολική απορρόφηση του φωτός από τον όγκο του

υγρού δείγματος. Ο γυάλινος σωλήνας είναι βαθμονομημένος σύμφωνα με την θολερότητα

πρότυπων αιωρημάτων διοξειδίου του πυριτίου (SiO2) και από τον όγκο του δείγματος στον

σωλήνα της συσκευής υπολογίζεται η θολερότητα του υπό εξέταση δείγματος. Μια μονάδα

θολερότητας του Jackson (JTU = Jackson Turbidity Unit) αντιστοιχούσε στη θολερότητα

που παράγεται από 1 mg SiO2 αιωρούμενου σε 1 L απεσταγμένου νερού.

Η συσκευή Jackson έχει αντικατασταθεί από ένα νέου τύπου μετρητή θολερότητας στον ο-

ποίο πρότυπη πηγή φωτός παράγει δέσμη φωτός που διέρχεται μέσα από ένα μικρό διαφανές

φιαλίδιο στο οποίο περιέχεται το προς εξέταση δείγμα. Ενα φωτόμετρο μετράει την ένταση

του διερχόμενου φωτός (από την πλευρά του φιαλιδίου που ευρίσκεται απέναντι από την

πηγή του φωτός) ενώ στη θέση της διάθλασης ένα φωτόμετρο μετράει την ένταση του φω-

τός σε γωνία 90° από την πηγή του φωτός. Αν και οι περισσότεροι μετρητές θολερότητας

που χρησιμοποιούνται σήμερα, δουλεύουν με την αρχή της διάθλασης, η θολερότητα που

προκαλείται από μαύρες ουσίες, που απορροφούν περισσότερο παρά ανακλούν το φως, είναι

προτιμότερο να μετράται με την τεχνική της απορρόφησης. Επαναλήψιμα αποτελέσματα

βαθμονόμησης των σχετικών συσκευών δίδονται και με την χρήση τη χημικής ένωσης

Formazin η οποία έχει αντικαταστήσει το SiO2 ως στοιχείο βαθμονόμησης θολόμετρων. Τό-

τε η βαθμονόμηση των θολόμετρων γίνεται σε μονάδες FTUs (Formazin Turbidity Units). Ο

12

όρος Nephelometry Turbidity Units (NTU) χρησιμοποιείται συχνά για να δείξει ότι οι με-

τρήσεις θολερότητας γίνονται σύμφωνα με την αρχή της διάθλασης (Νεφελομετρία).

Οι μετρήσεις της θολερότητας γίνονται συνήθως σε “χαμηλής ρύπανσης” νερά, σε αντιπα-

ράθεση με τα συνήθη υγρά απόβλητα. Δείγματα φυσικών νερών μπορεί να έχουν θολερότη-

τα που ξεκινά από μερικά FTUs και φτάνει μέχρι μερικές εκατοντάδες. Τα κριτήρια ποιότη-

τος των διεθνών οργανισμών για πόσιμο νερό καθορίζουν ως μέγιστη τιμή θολερότητας τι-

μές ίσες και συνήθως μικρότερες του 1 FTU.

1.4.3. ΧΡΩΜΑ (Colour)

Το καθαρό νερό είναι άχρωμο. Στη φύση πολλές φορές χρωματίζεται από την παρουσία ξέ-

νων ουσιών. Το νερό του οποίου το χρώμα οφείλεται μερικώς σε αιωρούμενη ύλη, λέγεται

Φαινόμενο Χρώμα (Apparent Colour).Το χρώμα που οφείλεται σε διαλελυμένα στερεά και

το οποίο παραμένει μετά την απομάκρυνση των αιωρούμενων στερεών είναι γνωστό σαν

Πραγματικό Χρώμα (True Colour).

Χρώμα προστίθεται στο νερό μέσω διαφόρων φυσικών και μη οδών: Έτσι στη φύση το νερό

μετά την επαφή του με φυσικά οργανικά συστατικά όπως φύλλα, χόρτα ή ξύλα, αποκτά ε-

νώσεις όπως οι ταννίνες ή τα χουμικά οξέα τα οποία του δίνουν μία κίτρινο-καφέ απόχρωση.

Υγρά απόβλητα από κλωστοϋφαντουργεία, βαφεία, βιομηχανίες χαρτιού, τροφίμων, χημι-

κών, μεταλλευτικών μονάδων κλπ μπορούν επίσης να χρωματίσουν το νερό των φυσικών

αποδεκτών όπου καταλήγουν. Χρωματισμός του νερού είναι δυνατός και από τη διάλυση

αιώρηση οξειδίων των μετάλλων με έντονο χρώμα όπως τα οξείδια του σιδήρου κλπ.

Το χρωματισμένο νερό δε είναι αισθητικά αποδεκτό. Η παρουσία χρώματος στο νερό είναι

συνήθως συνδεδεμένη με νερό χαμηλής ποιότητος. Για τους περισσότερους ανθρώπους το

διαυγές, άχρωμο νερό με την κατά τα άλλα ίσως χαμηλότερη ποιότητα είναι προτιμητέο,

από ίσως υψηλότερης ποιότητας νερό στο οποίο υπάρχει χρώμα. Βαθιά χρωματισμένο νερό

είναι ακατάλληλο και για βιομηχανικές χρήσεις. Έτσι, το χρώμα του νερού επηρεάζει την

αστική και βιομηχανική χρησιμότητα του.

Αν και υπάρχουν διαθέσιμες μέθοδοι μέτρησης του χρώματος, οι πλέον συνήθεις μέθοδοι

μέτρησης βασίζονται στη σύγκριση του χρώματος του δείγματος με πρότυπα χρωματισμένα

υλικά. Σωλήνες σύγκρισης του χρώματος που περιέχουν μία σειρά από πρότυπα έγχρωμα

διαλύματα, χρησιμοποιούνται για απ' ευθείας σύγκριση με δείγματα του προς εξέταση νερού

τα οποία έχουν προηγουμένως διηθηθεί ώστε να απαλλαγούν από το "φαινόμενο" χρώμα.

Τα αποτελέσματα της μέτρησης του χρώματος δειγμάτων “καθαρού” νερού συνήθως εκ-

13

φράζονται σε μονάδες πραγματικού χρώματος (True Colour Units - ΤCUs) Συνήθης κλίμα-

κα μέτρησης δημιουργείται με το χρώμα που παράγεται διαλύματα που περιέχουν λευκό-

χρυσο στη μορφή χλωροπλατινικών ιόντων. Για χρώματα διαφορετικά από κίτρινο-καφέ,

ιδιαίτερα για χρωματισμένα νερά που προκύπτουν από βιομηχανικές απορροές, χρησιμοποι-

ούνται ειδικές φασματοφωτομετρικές τεχνικές.

Συχνά, χρησιμοποιούνται επίσης όργανα που κάνουν χρήση χρωματιστών δίσκων εναρμονι-

σμένων με τα πρότυπα χρώματα. Βιολογικές και φυσικές μεταβολές που συμβαίνουν κατά

τη διάρκεια της αποθήκευσης των δειγμάτων νερού μπορούν να επηρεάσουν το χρώμα του

και είναι καλό τα δείγματα να εξετάζονται σύντομα μετά από τη συλλογή τους.

1.4.4. ΓΕΥΣΗ ΚΑΙ ΟΣΜΗ (Taste and Odour)

Οι όροι γεύση και οσμή είναι από μόνοι τους προσδιοριστικοί των παραμέτρων. Οι αισθή-

σεις της γεύσης και της οσμής συνδέονται στενά και συχνά συγχέονται. Ουσίες που προσδί-

δουν οσμή στο νερό μπορούν σχεδόν κατά κανόνα να προσδώσουν μία γεύση. Το αντίστρο-

φο δεν είναι πάντα δυνατόν, καθώς υπάρχουν πολλές ουσίες που παράγουν γεύση αλλά όχι

οσμή.

Πολλές ουσίες με τις οποίες το νερό έρχεται σε επαφή στη φύση ή κατά τη διάρκεια της αν-

θρώπινης χρήσης, μπορεί να δημιουργήσουν αίσθηση γεύσης ή και οσμής. Αυτές οι ουσίες

περιλαμβάνουν ορυκτά, μέταλλα και άλατα του εδάφους, προϊόντα βιολογικών αντιδράσεων

και συστατικά αποβλήτων. Οι ανόργανες ουσίες είναι περισσότερο πιθανό να δημιουργή-

σουν γεύσεις μη συνοδευόμενες από οσμές. Οι αλκαλικές ουσίες (υλικά) συνήθως προσδί-

δουν μία πικρή γεύση στο νερό, ενώ τα μεταλλικά άλατα μπορεί να δώσουν γλυφή ή πικρή

γεύση στο νερό.

Οργανικά υλικά, συνήθως προσδίδουν γεύση και οσμή, όπως π.χ. τα προϊόντα πετρελαίου.

Η βιολογική αποσύνθεση των οργανικών υλικών επίσης να δημιουργεί γεύση και οσμή ε-

μπλουτίζοντας το νερό με τα παραπροϊόντα της διεργασίας. Ο συνδυασμός δύο ή περισσο-

τέρων ουσιών, από τις οποίες καμία δεν να παράγει από μόνη της είναι γεύση ή οσμή, μπο-

ρεί μέσω του φαινομένου της συνεργασίας να δημιουργήσει προβλήματα γεύσης και οσμής

όπως π.χ. στην περίπτωση της αντίδρασης οργανικών ενώσεων και του χλωρίου που χρησι-

μοποιείται για την απολύμανση του νερού και επεξεργασμένων υγρών αποβλήτων.

Απευθείας μετρήσεις της συγκέντρωσης των ουσιών (υλικών) που παράγουν γεύσεις και

οσμές μπορούν να γίνουν, αν η χημική ταυτότητα των είναι γνωστή. Η αναλυτική μέτρηση

14

οργανικών ουσιών μπορεί να γίνει με την χρήση τεχνικών όπως η αέρια ή υγρή χρωματο-

γραφία. Η χρωματογραφική ανάλυση είναι χρονοβόρα και απαιτεί ακριβό εξοπλισμό.

Ποσοτικές μέθοδοι αθροιστικής μέτρησης γεύσης και οσμής σε δείγματα χρησιμοποιούν τις

ανθρώπινες αισθήσεις της γεύσης και της οσμής. Ένα παράδειγμα είναι η μέτρηση για του

"Οριακού Αριθμού Οσμής" ( TON = Threshold Odour Number) κατά την οποία. σειρά από

διαφορετικούς όγκους του υπό εξέτασιν δείγματος τοποθετείται σε δοχεία και αραιώνονται

με απεσταγμένο νερό, παρασκευάζοντας μίγματα τελικού όγκου 200 mL. Από 5 έως 10 δια-

φορετικοί παρατηρητές καλούνται να εντοπίσουν το μίγμα με το ποσοστό αραίωσης στο

οποίο η μυρωδιά είναι μόλις και μετά βίας αντιληπτή στην αίσθηση της οσμής. Η τιμή

TON του συγκεκριμένου δείγματος, υπολογίζεται κατόπιν χρησιμοποιώντας τον τύπο :

A BTON

A

όπου A : ο όγκος του οσμισμένου νερού (σε mL).

B : ο όγκος του αποσμiσμένου νερού που απαιτείται για να παρασκευάσουμε ένα μίγ-

μα 200 mL.

Παρόμοια μέθοδος μέτρησης μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για τον ποσοτικό προσδιορισμό

της γεύσης.

1.4.5. ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ (Temperature)

Η θερμοκρασία είναι μια από τις σημαντικότερες παραμέτρους για τον προσδιορισμό της

ποιότητας επιφανειακών υδάτων. Η θερμοκρασία των επιφανειακών υδάτινων συστημάτων

επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό τα βιολογικά είδη που μπορούν να επιβιώσουν σε ένα φυσικό

υδάτινο σώμα καθώς και τους ρυθμούς δραστηριότητας τους. Τα έμβια όντα έχουν ένα σχε-

τικά στενό εύρος θερμοκρασίας μέσα στο οποίο αναπτύσσονται χωρίς θερμοκρασιακή ανα-

στολή. Η θερμοκρασία έχει και την γνωστή επίδραση και στις χημικές αντιδράσεις που συμ-

βαίνουν στα επιφανειακά και τα φυσικά νερά (ισορροπία και κινητική των αντιδράσεων). Η

θερμοκρασία επιδρά και στις διαλυτότητες των αερίων στο νερό(π.χ. O2, CO2) (νόμος του

Henry) γεγονός υψηλής σημασίας για τη χημεία των υδατικών διαλυμάτων και τις βιολογι-

κές διεργασίες.

Η θερμοκρασία των φυσικών υδάτων επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες. Για παρά-

δειγμα ρηχά νερά, επηρεάζονται συνήθως εντονότερα απ’ τη θερμοκρασία του περιβάλλο-

ντος, απ' ότι τα βαθύτερα νερά. Η χρήση του υδάτινου σώματος ως μέσου για την απόρριψη

χαμηλής αξίας θερμότητας (κυκλώματα ψύξης διεργασιών) μπορεί σταδιακά να προκαλέσει

15

έντονες αλλαγές στην θερμοκρασία του με επακόλουθες σημαντικές επιδράσεις στην ισορ-

ροπία του αντιστοίχου οικοσυστήματος.

Τα ψυχρότερα νερά λόγω της αυξημένης περιεκτικότητας σε διαλυμένο οξυγόνο συνήθως

στηρίζουν μια ευρεία ποικιλία ζώντων οργανισμών. Οργανισμοί ανώτερης τάξης, όπως τα

ψάρια, επηρεάζονται σημαντικά από την θερμοκρασία του νερού και από το επίπεδο του

διαλελυμένου οξυγόνου, το οποίο είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας του νερού. Τα ψάρια

γενικώς απαιτούν καθαρά νερά ψυχρότερες θερμοκρασίες και υψηλότερα επίπεδα διαλελυ-

μένου οξυγόνου. Σε πολύ χαμηλότερες θερμοκρασίες, ο ρυθμός βιολογικής δραστηριότητας

επιβραδύνεται. Αν η θερμοκρασία αντιθέτως αυξηθεί, η βιολογική δραστηριότητα αυξάνε-

ται. Μια αύξηση κατά 10° C είναι συνήθως επαρκής σχεδόν για να διπλασιάσει τη βιολογική

δραστηριότητα, εφόσον υπάρχουν τα απαιτούμενα θρεπτικά συστατικά.

Η θερμοκρασία επηρεάζει και άλλες φυσικές ιδιότητες του νερού. Το ιξώδες του νερού αυ-

ξάνεται με τη μείωση της θερμοκρασίας. Η μέγιστη πυκνότητα του νερού παρουσιάζεται

στους 4°C, και ελαττώνεται πάνω ή κάτω από αυτή τη θερμοκρασία (ένα μοναδικό φαινόμε-

νο στα υγρά). Η θερμοκρασία και η πυκνότητα έχουν μια λεπτή επίδραση στους μικροοργα-

νισμούς τύπου πλαγκτόν. Η σχέση θερμοκρασίας-πυκνότητας στην στρωμάτωση των υδά-

των κλειστών υδάτινων σωμάτων όπως λίμνες και κόλποι έχει παρουσιαστεί σε προηγούμε-

νο μάθημα και είναι ένα σημαντικό φυσικό φαινόμενο με αξιοσημείωτες επιδράσεις στην

φυσική λειτουργία αυτών των φυσικών υδάτινων σωμάτων.

1.5. ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΧΗΜΙΚΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΥΔΑΤΟΣ

Το νερό είναι από τους ισχυρότερους διαλύτες και οι χημικές παράμετροι ποιότητάς του

(Chemical Parameters) σχετίζονται με τις διαλυτικές του ικανότητες. Τα διαλελυμένα στε-

ρεά, η αλκαλικότητα, η σκληρότητα, τα μέταλλα, οι οργανικές ενώσεις και η συγκέντρωση

των βασικών θρεπτικών συστατικών είναι χημικές παράμετροι με ιδιαίτερο ενδιαφέρον για

τον χαρακτηρισμό της ποιότητας του νερού.

1.5.1. ΓΙΝΟΜΕΝΑ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ

Υπενθυμίζουμε συντόμως τη σημαντική έννοια του γινομένου διαλυτότητας (Solubility

Product) και των ισοδύναμων βαρών :

Το χημικό ισοδύναμο (equivalent) είναι ως ένοια πολύ σημαντική στη χημεία του νερού.

Εκτός του ότι είναι χρήσιμη στον υπολογισμό των στοιχειομετρικών ποσοτήτων για τις επι-

θυμητές αντιδράσεις στο νερό και στις διεργασίες στα υγρά απόβλητα, τα ισοδύναμα επίσης

16

παρέχουν μία έννοια έκφρασης διαφόρων συστατικών των διαλελυμένων στερεών, με κοι-

νούς όρους. Ενα γραμμοισοδύναμο μιας ουσίας είναι χημικώς αντίστοιχο με ένα γραμμοι-

σοδύναμο μιας άλλης ουσίας. Έτσι, η συγκέντρωση μιας ουσίας A μπορεί να εκφραστεί

ως μια ισοδύναμη συγκέντρωση του B με την ακόλουθη μέθοδο:

(g / L)A(g / equiv)B (g / L)A

(g / equiv)A εκφρασμένο ως B

Για παράδειγμα, πολλά διαλελυμένα στερεά αναφέρονται συνήθως σε μονάδες ισοδύναμες

συγκεντρώσεις ανθρακικού ασβεστίου.

Στερεές ουσίες, ιδιαίτερα αυτές με κρυσταλλική δομή, διαλύονται στο νερό. Χωρίς το νερό

να είναι ένα αντιδρών συστατικό στην διεργασία. Έτσι για παράδειγμα στην εξίσωση (1.1)

μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι αντιδρών συστατικό, ενώ στην εξίσωση (1.2) ότι δεν είναι.

22 CaO H O Ca 2OH (1.1)

2NaCl H O Na Cl (1.2)

Όταν το νερό δεν είναι αντιδρών συστατικό, συνήθως παραλείπεται από την εξίσωση.

Τα διπλά βέλη στις εξισώσεις υποδεικνύουν μία αντιστρεπτή δράση. Δηλαδή, η στερεά φά-

ση (NaCl) μπορεί να διαχωριστεί στα συστατικά της (διαλύτωση) ή τα συστατικά μπορεί να

επανασυνδυαστούν προς κατασκευή της στερεάς φάσης (κατακρήμνιση ιζήματος).

Εφ’ όσον υπάρχει στο διάλυμα μια επαρκής μάζα στερεού, θα επιτευχθεί μια κατάσταση

“δυναμικής ισορροπίας” στην οποία ο ρυθμός της διαλύτωσης και ο ρυθμός της κατακρή-

μνισης, θα είναι ακριβώς ίσοι. Σε αυτό το σημείο, το νερό είναι πλέον κορεσμένο στα διαλε-

λυμένα είδη.

Οι συνθήκες της ισορροπίας μπορούν να εκφραστούν από την “εξίσωση δράσης της μάζας”.

Για την γενικευμένη αντίδραση:

y xA B xA yBΧ Υ (1.3)

(Στερεά Ενωση) (Ιοντικά Συστατικά)

Η αντίστοιχη σχέση δράσης των μαζών γράφεται ως ακολούθως:

A B

KA B

(1.4)

17

Οι αγκύλες γύρω απ’ τα ιοντικά και στερεά είδη υποδεικνύουν, για πρακτικούς λόγους, μο-

ριακές συγκεντρώσεις. Η τιμή K είναι μία σταθερά ισορροπίας για μία δεδομένη ουσία μέ-

σα σε καθαρό νερό και αναφέρεται σε μία δεδομένη θερμοκρασία.

Όταν αποκατασταθεί ισορροπία, η στερεά φάση δεν αλλάζει πλέον συγκέντρωση διότι οι

ρυθμοί διάλυσης και κατακρήμνισης είναι ίσοι. Έτσι οι ποσότητες:

A BΧ Υ , K είναι σταθερές και επομένως

S spA B K K KΧ Υ (1.5)

Η ποσότητα spK είναι γνωστή σαν “γινόμενο διαλυτότητας” για το συγκεκριμένο ζευγάρι

ιόντων. Αν η συγκέντρωση κάποιου ιόντος ή και των δύο αυξηθεί, το γινόμενο των ιοντικών

τους συγκεντρώσεων θα υπερβεί το spK και θα επακολουθήσει κατακρήμνιση στερεάς φά-

σης A BΧ Υ για να αποκατασταθούν οι συνθήκες ισορροπίας. Τιμές των γινομένων διαλυτό-

τητας υπάρχουν σε δημοσιευμένους πίνακες.

Παρόμοια με τις στερεές ουσίες, στο νερό διαλύονται αέρια στοιχεία καθώς και αέρια μόρια

τα οποία μπορούν να οδηγήσουν στη δημιουργία επιπρόσθετων διαλελυμένων στερεών. Ένα

σημαντικό παράδειγμα είναι το διοξείδιο του άνθρακα του οποίου η δράση με το νερό συ-

νοψίζεται σχηματικά από τις ακόλουθες αντιδράσεις:

2 2 2 3 3CO H O H CO H HCO (1.6)

23 3HCO H CO (1.7)

Το διοξείδιο του άνθρακα διαδραματίζει ένα σημαντικό ρόλο στην χημεία των φυσικών υ-

δάτινων σωμάτων διαδραματίζοντας και ένα ρυθμιστικό ρόλο. Αρκεί να σκεφτούμε ότι τα

ανθρακικά ιόντα σε ένα υδατικό διάλυμα CO2 μπορούν να καταβυθιστούν ως ανθρακικά

άλατα όταν αυξηθεί η μερική πίεση του CO2 στην αέρια φάση πάνω από το υδατικό διάλυ-

μα. Λεπτομέρειες για την υδατική χημεία του CO2 δίδονται σε άλλο μάθημα.

18

1.5.2. ΟΛΙΚΑ ΔΙΑΛΕΛΥΜΕΝΑ ΣΤΕΡΕΑ (Total Disolved Solids)

Οι ενώσεις που παραμένουν στο νερό μετά τη διήθηση για την μέτρηση των αιωρούμενων

στερεών θεωρείται ότι αποτελούν διαλελυμένη μάζα. Το υλικό αυτό το οποίο μένει σαν ένα

στερεό υπόλειμμα μετά την εξάτμιση του νερού, αποτελεί ένα μέρος των ολικών στερεών

και αποκαλείται: Ολικά Διαλελυμένα Στερεά (TDS)

Απ' ευθείας μέτρηση των Ολικών Διαλελυμένων Στερεών (Total Disolved Solids) μπορεί να

πραγματοποιηθεί εξατμίζοντας και ξηραίνοντας ένα δείγμα νερού το οποίο έχει προηγουμέ-

νως διηθηθεί προς απομάκρυνση των αιωρούμενων στερεών. Τα εναπομείναντα υπολείμμα-

τα ζυγίζονται και αντιπροσωπεύουν τα "Ολικά Διαλελυμένα Στερεά" (TDS) στο νερό. Η πε-

ριεκτικότητα TDS εκφράζεται σε μονάδες μάζας ανά όγκο (π.χ. mg/L). Τα οργανικά και α-

νόργανα κλάσματα μπορούν να διαχωριστούν θερμαίνοντας το υπόλειμμα της μέτρησης

TDS στους 600°C ακολουθώντας πρότυπες μεθόδους μέτρησης.

Μια κατά προσέγγιση μέτρηση TDS γίνεται συνήθως υπολογίζοντας την ηλεκτρική αγωγι-

μότητα του νερού. Η ικανότητα ενός δείγματος νερού να άγει (να μεταφέρει) το ηλεκτρικό

ρεύμα είναι γνωστή ως "ειδική αγωγιμότητα", και είναι μια συνάρτηση της ιοντικής του ι-

σχύος. Η ειδική αγωγιμότητα μετριέται σε συσκευή αγωγιμότητας, η οποία χρησιμοποιεί

την αρχή της γέφυρας του Winston. Κατά την πρότυπη διαδικασία, μετράται η αγωγιμότητα

σε ένα πεδίο ενός κυβικού εκατοστού δείγματος στους 25°C, και εκφράζουμε τα αποτελέ-

σματα σε μονάδες όπως milliSiemens ανά μέτρο (mS/m).

Η σχέση ειδικής αγωγιμότητας και συγκέντρωσης TDS, είναι γενικώς γραμμική. Οι ιονισμέ-

νες ουσίες συνεισφέρουν στην ειδική αγωγιμότητα. Οργανικές ύλες και ενώσεις οι οποίες

διαλύονται χωρίς να ιονίζονται δεν συνεισφέρουν αντίστοιχα στην αγωγιμότητα του διαλύ-

ματος. Η ειδική αγωγιμότητα επηρεάζεται από το σθένος των ιόντων στο διάλυμα, την ευκι-

νησία τους και άλλες σχετικές παραμέτρους. Η θερμοκρασία έχει επίσης σημαντική επίδρα-

ση στην ειδική αγωγιμότητα, η οποία γενικώς αυξάνεται όταν η θερμοκρασία του διαλύμα-

τος αυξάνεται. Η μετατροπή της ειδικής αγωγιμότητας ενός διαλύματος σε μονάδες TDS θα

πρέπει να γίνεται με την χρήση μιας κατάλληλης σταθεράς συσχέτισης. Ενδεικτικές τιμές τις

σταθεράς συσχετισμού των mS/m σε mg/L, για φυσικά νερά, κυμαίνονται από 0.055 έως

0.09.

Για να χρησιμοποιηθεί η ειδική αγωγιμότητα σαν μια ποσοτική παράμετρος παρακολούθη-

σης του TDS, θα πρέπει να διεξαχθούν κατάλληλες εργαστηριακές μετρήσεις, για τον υπο-

λογισμό ενός συντελεστή μετατροπής τιμών αγωγιμότητας σε τιμή TDS. Γι' αυτόν το λόγο,

19

η ειδική αγωγιμότητα χρησιμοποιείται πιο συχνά ως μια ποιοτική παράμετρος για να παρα-

κολουθούμε τις αλλαγές στις τιμές TDS και όχι στις απόλυτες τιμές τους.

1.5.3. ΜΕΤΑΛΛΑ (Metals)

Όλα τα μέταλλα είναι, σε κάποιο βαθμό, διαλυτά στο νερό. Παρά το γεγονός ότι υψηλές συ-

γκεντρώσεις του οποιουδήποτε μετάλλου μπορεί να δημιουργήσουν κινδύνους για την υγεί-

α, μόνο τα μέταλλα τα οποία είναι επιβλαβή σε σχετικά μικρές ποσότητες, αναφέρονται ως

τοξικά. Τα άλλα μέταλλα ανήκουν στη κατηγορία των μη-τοξικών. Πηγές εμπλουτισμού

των φυσικών υδάτων σε μέταλλα είναι η διάλυση από φυσικά πετρώματα και τα αστικά, βι-

ομηχανικά ή αγροτικά απόβλητα που διατίθενται σε φυσικούς αποδέκτες. Η μέτρηση της

συγκέντρωσης των μετάλλων σε δείγματα νερού, γίνεται με διάφορες τεχνικές κυρίως φα-

σματοφωτομετρικές.

Μη-τοξικά Μέταλλα (Non Toxic Metals)

Πέρα από τα συνήθη ιόντα της σκληρότητας του νερού όπως το ασβέστιο και το μαγνήσιο,

άλλα συνήθη μη τοξικά μέταλλα που βρίσκονται στο νερό, είναι το νάτριο, ο σίδηρος, το

μαγγάνιο, το αλουμίνιο, ο χαλκός και ο ψευδάργυρος. Το νάτριο, το πιο κοινό μη τοξικό

μέταλλο που βρίσκεται στα φυσικά ύδατα, είναι άφθονο στο φλοιό της γης. Τα άλατα του

νατρίου είναι ευδιάλυτα στο νερό. Υψηλές συγκεντρώσεις Na, δημιουργούν μία πικρή γεύ-

ση στο νερό και αυξημένο κίνδυνο στην υγεία των καρδιοπαθών και νεφροπαθών ασθενών.

Το νάτριο είναι επίσης διαβρωτικό για τις μεταλλικές επιφάνειες και σε μεγάλες συγκε-

ντρώσεις είναι τοξικό για τα φυτά.

Ο σίδηρος και το μαγγάνιο συχνά συνυπάρχουν και δεν είναι επικίνδυνα για την υγεία στις

συνήθεις φυσιολογικές συγκεντρώσεις των φυσικών υδάτων.

Όπως αναφέρθηκε προηγούμενα, ο σίδηρος και το μαγγάνιο σε πολύ μικρές ποσότητες μπο-

ρούν να δημιουργήσουν προβλήματα χρώματος στο νερό. Για παράδειγμα, συγκεντρώσεις

σιδήρου 0.3 mg/L και συγκεντρώσεις μαγγανίου της τάξεως των 0.05 mg/L, μπορούν να δη-

μιουργήσουν προβλήματα χρώματος. Επιπροσθέτως, μερικά βακτήρια χρησιμοποιούν τις

ενώσεις του σιδήρου και του μαγγανίου σαν πηγή ενέργειας και η επακολουθούσα ανάπτυξη

μικροργανισμών μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα γεύσης και οσμής στο νερό.

Ο σίδηρος στα συστήματα φυσικών υδάτων, συνήθως συνδέεται με χλωριόντα (FeCl2), όξι-

να ανθρακικά [Fe(HCO3)2]ή θειικά (FeSO4) ανιόντα. Η πλέον διαλυτή μορφή του σιδήρου

20

είναι η δισθενής. Παρουσία οξυγόνου, το ιόν του δισθενούς σιδήρου (Fe2+) οξειδώνεται

προς το ιόν του τρισθενούς σιδήρου (Fe3+) και δημιουργεί εύκολα αδιάλυτο υδροξείδιο

(Fe(OH)3). Ετσι, σημαντικές ποσότητες διαλελυμένου σιδήρου υπάρχουν συνήθως μόνο σε

συστήματα χωρίς οξυγόνο όπως στα υπόγεια ύδατα, ή ίσως στα κατώτερα στρώματα των

στρωματωμένων λιμνών. Παρομοίως, τα ιόντα του μαγγανίου (Mn2+ και Mn4+) ενωμένα με

χλωριόντα, νιτρικά και θειικά ιόντα είναι διαλυτά, ενώ οι οξειδωμένες μορφές (Mn3+ και

Mn5+) είναι λιγότερο διαλυτές. Οργανικά οξέα που παράγονται από φυσικές διεργασίες δύ-

νανται να συμπλοκοποιήσουν μέταλλα όπως τον σίδηρο και το μαγγάνιο, αναστέλλοντας

την οξείδωση τους και την επακόλουθη καθίζηση τους από τα φυσικά ύδατα συμβάλλοντας

με αυτό τον τρόπο στην αύξηση της συνολικής συγκέντρωσης του διαλελυμένου μετάλλου

στα φυσικά νερά.

Τα άλλα μη τοξικά μέταλλα, γενικώς βρίσκονται σε πολύ μικρές ποσότητες στα συ-

στήματα φυσικών υδάτων. Τα περισσότερα θα προκαλούσαν προβλήματα γεύσης πολύ πριν

οι συγκεντρώσεις τους να έφθαναν τα τοξικά επίπεδα. Παρόλα αυτά, ο χαλκός και ο ψευ-

δάργυρος θεωρούνται συνεργιστικά μέταλλα και όταν υπάρχουν και τα δύο μαζί, ακόμη και

σε μικρές ποσότητες, μπορούν να ασκήσουν τοξική δράση σε πολλούς οργανισμούς.

Τοξικά Μέταλλα (Toxic Metals)

Όπως αναφέρθηκε ανωτέρω, τα τοξικά μέταλλα είναι επιβλαβή, για τους ανθρώπους και

τους άλλους οργανισμούς, σε μικρές ποσότητες. Ανάμεσα στα τοξικά στοιχεία τα οποία θα

μπορούσαν να υπάρξουν σε διαλυτή μορφή στο νερό περιλαμβάνονται το αρσενικό, το βά-

ριο, το κάδμιο, το χρώμιο, ο μόλυβδος, ο υδράργυρος και ο άργυρος.

Τα τοξικά μέταλλα συνήθως εμφανίζονται μόνο σε πολύ μικρές ποσότητες στα περισσότερα

συστήματα φυσικών υδάτων. Σημαντικές συγκεντρώσεις τοξικών μετάλλων ανιχνεύονται

συνήθως στις όξινες απορροές μεταλλείων, στα βιομηχανικά, στα γεωργικά απόβλητα κλπ.

Τα μέταλλα βιοσυσσωρεύονται μέσω της τροφικής αλυσίδας και με αυτό τον τρόπο αποτε-

λούν μεγαλύτερο κίνδυνο για τους οργανισμούς που βρίσκονται κοντά στην κορυφή της

τροφικής αλυσίδας.

1.5.4. ΟΡΓΑΝΙΚΑ ΥΛΙΚΑ (Organics)

Πολλές οργανικές ενώσεις είναι διαλυτές στο νερό. Τα οργανικά υλικά στα συστήματα φυ-

σικών υδάτων προέρχονται από φυσικές πηγές ή είναι παραπροϊόντα των ανθρωπίνων δρα-

21

στηριοτήτων. Τα περισσότερα φυσικά οργανικά υλικά είναι προϊόντα αποσύνθεσης των ορ-

γανικών υλών, ενώ η παρουσία συνθετικών οργανικών μορίων είναι συνήθως αποτέλεσμα

της απόρριψης υγρών αποβλήτων ή παραπροϊόντα αγροτικών δραστηριοτήτων. Τα διαλε-

λυμένα στο νερό οργανικά διαιρούνται συνήθως σε δύο μεγάλες κατηγορίες: στα βιοαποικο-

δομήσιμα (biodegradable) και στα μη-βιοαποικοδομήσιμα. (non-biodegradable)

Βιοαποικοδομήσημα Οργανικά Υλικά (biodegradable organics)

Τα βιοαποικοδομήσιμα υλικά αποτελούνται από οργανικά μόρια τα οποία μπορούν να χρη-

σιμοποιηθούν ως τροφή από τους φυσικά υπάρχοντες στο περιβάλλον μικροοργανισμούς,

μέσα σε ένα λογικό διάστημα χρόνου. Τα υλικά αυτά συνήθως αποτελούνται από άμυλο,

λίπη, πρωτεΐνες, αλκοόλες, οξέα, αλδεύδες, εστέρες κλπ. Συνήθως είναι το τελικό προϊόν της

βιολογικής αποσύνθεσης των ιστών των φυτών ή των ζώων, ή μπορεί να εμπεριέχονται σε

απορριπτόμενα αστικά ή βιομηχανικά υγρά απόβλητα. Μερικά από αυτά τα υλικά μπορούν

να δημιουργήσουν προβλήματα χρώματος, γεύσης και οσμής στους φυσικούς αποδέκτες. Το

σημαντικότερο πρόβλημα που δημιουργούν οι βιοαποικοδομήσιμες οργανικές ενώσεις όταν

απορρίπτονται σε φυσικά υδάτινα σώματα προκύπτει από την χρήση των ενώσεων αυτών

από φυσικούς μικροοργανισμούς και η οποία οδηγεί στην κατανάλωση και μείωση του δια-

λελυμένου οξυγόνου των φυσικών υδάτινων σωμάτων (π.χ. λιμνών, ποταμών, θαλασσίων

περιοχών) στερώντας το οξυγόνο αυτό από αλλούς ανώτερους οργανισμούς. Περισσότερα

στοιχεία επί της βιοχημείας της βιοαποικοδόμησης (χρησιμοποίησης) οργανικών μορίων

από μικροοργανισμούς δίδονται σε επόμενο κεφάλαιο.

Η χρησιμοποίηση των διαλελυμένων οργανικών από τους μικροοργανισμούς μπορεί να συ-

νοδεύεται από οξείδωση ή από αναγωγή του οργανικού μορίου. Είναι πιθανόν οι δύο διερ-

γασίες να συμβούν ταυτόχρονα. Η διεργασία της οξείδωσης είναι πολύ πιο αποτελεσματική

και η επικρατέστερη όταν υπάρχει οξυγόνο. Σε "αερόβια" (παρουσία οξυγόνου) περιβάλλο-

ντα τα τελικά προϊόντα της βιολογικής αποσύνθεσης των οργανικών ενώσεων, είναι συνή-

θως σταθερές και περιβαλλοντικά αποδεκτές ενώσεις. Η "αναερόβια" (απουσία οξυγόνου)

αποσύνθεση αποδίδει συνήθως ασταθή και ανεπιθύμητα τελικά προϊόντα. Εάν αργότερα το

οξυγόνο ξαναγίνει διαθέσιμο, τα τελικά προϊόντα της αναερόβιας διεργασίας είναι δυνατό

να οξειδωθούν περαιτέρω σε τελικά προϊόντα τυπικά των αερόβιων διεργασιών. Η έμμεσα

δημιουργούμενη λόγω της βιολογικής δράσης απαίτηση σε οξυγόνο των βιοαποικοδομήσι-

μων οργανικών ενώσεων είναι υψίστης σημασίας για τα φυσικά υδάτινα συστήματα.

22

Έτσι για παράδειγμα, όταν η κατανάλωση οξυγόνου από τους αερόβιους οργανισμούς σε

ένα φυτικό υδάτινο σώμα υπερβεί την δυνατότητα παροχής του οξυγόνου μέσω διάχυσης

απ' την ατμόσφαιρα, οι αναερόβιες συνθήκες που τελικά θα επικρατήσουν στο υδάτινο σώ-

μα θα επηρεάσουν βίαια την οικολογική του ισορροπία.

Μη-Βιοαποικοδομήσημα Οργανικά Υλικά (Non-biodegradable organics)

Μερικά οργανικά υλικά, ανθίστανται στην βιολογική αποικοδόμηση. Τανίνες, λιγνίνες, κυτ-

ταρίνη και οι φαινόλες συναντώνται συχνά στα συστήματα φυσικών υδάτων. Είναι συστατι-

κά των ξυλωδών φυτών και αποικοδομούνται αργά ώστε συνήθως θεωρούνται μη-

αποικοδομήσιμα βιολογικά. Μόρια με εξαιρετικά ισχυρούς δεσμούς (μερικά από τους πολυ-

σακχαρίτες) και δομές δακτυλίου άνθρακος (βενζόλικοι δακτύλιοι) θεωρούνται δύσκολα για

βιοαποικοδόμηση.

Μερικά οργανικά μόρια είναι πρακτικά μη-βιοαποικοδομήσιμα διότι είναι τοξικά στους συ-

νήθεις οργανισμούς. Τέτοια για παράδειγμα είναι τα οργανικά παρασιτοκτόνα, μερικά βιο-

μηχανικά χημικά και ενώσεις υδρογονανθράκων που έχουν ενωθεί με χλώριο.

Τα παρασιτοκτόνα, που περιλαμβάνουν εντομοκτόνα και ζιζανιοκτόνα, έχουν ευρεία χρήση

στην σύγχρονη κοινωνία τόσο στις αστικές όσο και στις αγροτικές περιοχές. Κακές πρακτι-

κές χρήσης η απορροή και το ξέπλυμα των αγροτικών καλλιεργήσιμων εκτάσεων από τις

βροχοπτώσεις ή και διαρροές μπορεί να προκαλέσουν ρύπανση των επιφανειακών ρευμάτων

και τελικά υπόγειων υδροφόρων οριζόντων η τελικών υδάτινων αποδεκτών με αυτά τα επι-

κίνδυνα αγροτικά χημικά.

Τα οργανικά εντομοκτόνα περιλαμβάνουν και χλωριωμένους υδρογονάνθρακες όπως

Aldrin, Dieldrin, Endrin και Lindane. Τα παρασιτοκτόνα περιέχουν συνήθως χλωρο-

φαινολικές ενώσεις (π.χ. 2,4,5-τριχλωροφαινοξυπροπιονικό οξύ κλπ). Παρασιτοκτόνα, και

συσσωρευμένες τοξίνες, προκαλούν σοβαρά προβλήματα στα ανώτερα επίπεδα της τροφι-

κής αλυσίδας μέσω της διεργασίας της βιοσυσσώρευσης. Ως παράδειγμα αναφέρεται η βιο-

συσσώρευση του εντομοκτόνου DDT, η χρήση του οποίου πλέον απαγορεύεται στις ανα-

πτυγμένες χώρες.

Μετρήσεις των μη-βιοαποικοδομήσιμων οργανικών γίνονται συνήθως με τη μέτρηση του

χημικώς απαιτούμενου οξυγόνου (COD). Τα μη-βιοαποικοδομήσιμα οργανικά μπορούν επί-

σης να υπολογισθούν από την ανάλυση του Ολικού Οργανικού Άνθρακα (TOC). Το COD

και το TOC μετράνε και το κλάσμα των βιοαποικοδομήσιμων οργανικών, κι έτσι από την

σχέση των τιμών του BOD, με τις τιμές του COD ή το ισοδύναμο TOC είναι δυνατόν να ε-

23

κτιμήσουμε τα περιεχόμενα δυσκόλως βιοαποικοδομήσιμα οργανικά υλικά. Συγκεκριμένες

οργανικές ενώσεις μπορούν να ταυτοποιηθούν και να μετρηθούν μέσω εξειδικευμένων χη-

μικών αναλύσεων όπως π.χ. αέρια χρωματογραφία κλπ.

1.5.5. ΘΡΕΠΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ (Nutrients)

Ως θρεπτικά ορίζονται τα βασικά στοιχεία, απαραίτητα για την ανάπτυξη και αναπαραγωγή

των φυτών και των ζώων. Τα υδρόβια είδη εξαρτώνται από το περιβάλλον νερό που τους

παρέχει τα θρεπτικά. Τα σημαντικότερα θρεπτικά είναι : ο άνθρακας, το άζωτο και ο φω-

σφόρος.

Ο άνθρακας είναι εύκολα διαθέσιμος από πολλές πηγές. Το διοξείδιο του άνθρακα από την

ατμόσφαιρα, τα ανθρακικά ιόντα (αλκαλικότητα) οι οργανικές ύλες, όλα παρέχουν άνθρακα

στους οργανισμούς.

Σε πολλές περιπτώσεις το άζωτο και ο φωσφόρος είναι τα θρεπτικά στοιχεία που μπορούν

να αποτελέσουν τον περιοριστικό παράγοντα της ανάπτυξης των οργανισμών λόγω χαμηλής

διαθεσιμότητας τους.

Άζωτο

Το αέριο άζωτο (Ν2) είναι κύριο συστατικό της γήινης ατμόσφαιρας. Είναι χημικά σταθερό

και αντιδρά με το οξυγόνο σε περιβάλλοντα υψηλής ενέργειας όπως ηλεκτρικές εκκενώσεις

ή καύσεις προς σχηματισμό οξειδίων του αζώτου. Παρότι μερικά βιολογικά είδη έχουν την

ικανότητα να οξειδώνουν το αέριο άζωτο, το άζωτο ως θρεπτικό συστατικό είναι διαθέσιμο

στους οργανισμούς κυρίως από πηγές διαφορετικές απ’ το ατμοσφαιρικό άζωτο.

Το άζωτο είναι ένα συστατικό των πρωτεϊνών, της χλωροφύλλης και πολλών άλλων βιολο-

γικών ενώσεων. Μετά το θάνατο των φυτών ή των ζώων, σύνθετες οργανικές ουσίες αποι-

κοδομούνται σε απλές μορφές μέσω της βιολογικής αποσύνθεσης. Οι πρωτεΐνες, για παρά-

δειγμα, μετατρέπονται σε αμινοξέα και στη συνέχεια σε αμμωνία (NH3). Αν υπάρχει οξυγό-

νο, η αμμωνία οξειδώνεται σε νιτρώδη (NO2- ) και μετά σε νιτρικά (ΝΟ3

-) ιόντα. Τα νιτρικά

ιόντα είναι παράδειγμα μορφής αζώτου εύκολα διαθέσιμης σε οργανισμούς για τις βιοτικές

ανάγκες τους.

Άλλες πηγές αζώτου είναι τα υγρά απόβλητα, (αστικά και βιομηχανικά) και οι γεωργικές

απορροές λιπασμάτων. Οι ενώσεις του αζώτου μπορούν να οξειδωθούν προς νιτρικά ιόντα

από μικροοργανισμούς στη φύση. Η συνεχής συνεισφορά αζώτου στα φυσικά υδάτινα σώ-

ματα από τις ανωτέρω πηγές είναι δυνατόν να οδηγήσει στον υπερεμπλουτισμό των φυσι-

κών υδάτων σε άζωτο.

24

Επιπρόσθετα με τα προβλήματα του υπερεμπλουτισμού για τα οποία έχει γίνει αναφορά σε

προηγούμενο μάθημα, ενώσεις του αζώτου μπορούν να έχουν και άλλες επιπτώσεις. Η αμ-

μωνία είναι αέριο σε θερμοκρασία και πιέσεις που απαντώνται συνήθως σε συστήματα φυ-

σικών υδάτων. Η αέρια αμμωνία (NH3) βρίσκεται σε ισορροπία με την υδατική ιονική μορ-

φή (NH4+).

3 2 4NH H O NH OH (1.8)

Η συγκέντρωση του ιόντος του υδροξυλίου του νερού, άρα το pΗ, ρυθμίζει την σχετική πα-

ρουσία κάθε είδους. Η οξείδωση της αμμωνίας (ΝΗ3) και του αμμωνίου (ΝΗ4+) προς νιτρικά

και άλλα ιόντα, από μικροοργανισμούς, δημιουργεί μια πρόσθετη βιοχημική απαίτηση οξυ-

γόνου, όπως συζητήθηκε σε προηγούμενη ενότητα.

Μετρήσεις για τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης αζώτου σε δείγματα αποβλήτων η φυ-

σικών υδάτων συνήθως περιλαμβάνουν ανάλυση για αμμωνία (περιλαμβάνοντας αμμωνία

και αμμώνιο), νιτρικά και ολικό άζωτο. Τα αποτελέσματα των αναλύσεων συνήθως εκφρά-

ζονται σε μονάδες συγκέντρωσης (mg/L). των επί μέρους ειδών ως άζωτο. Μετρήσεις για

αμμωνία και ολικό άζωτο είναι πιο συνηθισμένες στα υγρά απόβλητα, ενώ οι μετρήσεις για

νιτρικά ιόντα είναι πιο συνήθεις σε δείγματα καθαρών υδάτων και επεξεργασμένων υγρών

αποβλήτων.

Φωσφόρος

Ο φωσφόρος σε υδατικό περιβάλλον εμφανίζεται με τη μορφή φωσφορικών ιόντων (ΡΟ43- ).

Υπάρχουν διάφορες μορφές φωσφορικών αλάτων οι οποίες περιλαμβάνουν ορθοφωσφορικά

άλατα (πυρο-, μετά-, και πολυφωσφορικά άλατα) και οργανικά δεσμευμένα φωσφορικά ά-

λατα. Όπως το άζωτο, έτσι και τα φωσφορικά άλατα περνούν μέσω του κύκλου της αποσύν-

θεσης και της φωτοσύνθεσης.

Τα φωσφορικά άλατα είναι συστατικά των εδαφών και χρησιμοποιούνται εκτενώς στα λιπά-

σματα για να ενισχύσουν τις φυσικές συγκεντρώσεις στα γεωργικά εδάφη. Τα φωσφορικά

άλατα είναι επίσης συστατικό των αποβλήτων των ζώων και μπορούν να συσσωρευτούν στο

έδαφος στους βοσκότοπους και στις περιοχές όπου εκτρέφονται ζώα. Οι απορροές απ' τις

αγροτικές περιοχές είναι σημαντικός συντελεστής εμπλουτισμού των επιφανειακών υδάτων

σε φωσφόρο. Η τάση των φωσφορικών αλάτων να απορροφώνται στους κόκκους του εδά-

φους, περιορίζει την κινητικότητα τους στο φυσικό περιβάλλον.

Τα αστικά υγρά απόβλητα είναι μια σημαντική πηγή εμπλουτισμού των επιφανειακών υδά-

των με φωσφορικά άλατα. Τα συμπυκνωμένα φωσφορικά άλατα χρησιμοποιούνται εκτενώς

25

ως συστατικά των απορρυπαντικών, και τα οργανικά φωσφορικά άλατα είναι συστατικά των

αποβλήτων του σώματος και των καταλοίπων των τροφών. Άλλες πηγές φωσφόρου είναι τα

βιομηχανικά απόβλητα δεδομένου ότι φωσφορικά άλατα χρησιμοποιούνται για σκοπούς

όπως η επεξεργασία του νερού στους ατμολέβητες κλπ.

Ενώ τα φωσφορικά άλατα δεν είναι τοξικά και δεν αποτελούν μια άμεση απειλή για την υ-

γεία των ανθρώπων ή άλλων οργανισμών, αποτελούν μια σοβαρή έμμεση, απειλή για την

ποιότητα του νερού. Όπως σημειώθηκε νωρίτερα, τα φωσφορικά άλατα είναι συχνά το περι-

οριστικό θρεπτικό για την ανάπτυξη των μικροοργανισμών στα φυσικά υδάτινα σώματα.

Όταν η διαθεσιμότητα αυξάνεται, είναι δυνατό να επακολουθήσει απότομη αύξηση του

πληθυσμού των μικροοργανισμών, με σοβαρές συνέπειες στο ισοζύγιο οξυγόνου των υδάτι-

νων σωμάτων.

Τα φωσφορικά άλατα μετρώνται συνήθως χρωματομετρικά. Τα ορθοφωσφορικά άλατα

μπορούν να μετρηθούν άμεσα, ενώ άλλες μορφές θα πρέπει πρώτα να μετατρέπουν σε ορ-

θοφωσφορικά άλατα. Τα αποτελέσματα των αναλύσεων αναφέρονται σε μονάδες συγκέ-

ντρωσης φωσφορικών αλάτων ( π.χ. mg./L) ως ισοδύναμος φωσφόρος.

1.6. ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΝΕΡΟΥ

Το νερό λειτουργεί ως το μέσον στο οποίο μεγάλος αριθμός βιολογικών ειδών διανύουν ένα

σημαντικό μέρος από τον κύκλο ζωής τους. Οι υδρόβιοι οργανισμοί ποικίλουν σε μέγεθος

και σύνθεση απ' τον μικρότερο μονοκύτταρο οργανισμό μέχρι το μεγαλύτερο ψάρι. Η πα-

ρουσία των διαφόρων μελών της βιολογικής κοινότητας είναι, σε κάποιο βαθμό, ενδεικτική

της ποιότητας του νερού. Η παρουσία ή η απουσία τους υποδεικνύει σε γενικές γραμμές την

ποιότητα ενός δοθέντος δείγματος νερού. Ως παράδειγμα, η γενική ποιότητα του νερού σε

ένα ποτάμι όπου ζούνε πέστροφες αναμένεται να είναι πολύ καλύτερη από το νερό ενός

ρεύματος όπου επικρατέστερο είδος ψαριού είναι ο κυπρίνος. Αντίστοιχα αφθονία σε φύκη

σε μια λίμνη συνδέεται πάντα με την παρουσία υψηλών συγκεντρώσεων θρεπτικών συστα-

τικών στο νερό.

Οι βιολόγοι χρησιμοποιούν συχνά δείκτες ποικιλίας των ειδών (που σχετίζοται με τον αριθ-

μό των ειδών και την σχετική αφθονία των οργανισμών κάθε είδους) ως μια ποιοτική παρά-

μετρο για τα νερά σε ποτάμια και λίμνες. Ενα δείγμα νερού που φιλοξενεί μεγάλο αριθμό

από είδη, με καλά ισορροπημένους πληθυσμούς θεωρείται ότι προέρχεται από ένα υγιές υ-

δάτινο σύστημα. Με βάση την γνωστή ανοχή τους για ένα δεδομένο ρύπο, ορισμένοι οργα-

νισμοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν και ως δείκτες της παρουσίας συγκεκριμένων ρύπων.

26

1.6.1. ΠΑΘΟΓΟΝΟΙ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ

Οι παθογόνοι, οργανισμοί είναι ικανοί να μολύνουν ή να μεταφέρουν ασθένειες στους αν-

θρώπους. Πολλά είδη παθογόνων οργανισμών είναι ικανά να επιβιώσουν στο νερό και να

διατηρήσουν τις μολυσματικές τους ικανότητες για σημαντικές χρονικές περιόδους. Οι με-

ταδιδόμενοι μέσω του νερού παθογόνοι μικροοργανισμοί περιλαμβάνουν είδη όπως τα βα-

κτήρια, τους ιούς, τα πρωτόζωα, κλπ.

Βακτήρια (Bacteria)

Η λέξη βακτήριο προέρχεται από την ελληνική λέξη βακτηρία που σημαίνει ράβδος, ένα

σχήμα χαρακτηριστικό των περισσότερων βακτηριδίων. Τα βακτήρια είναι μονοκύτταροι

μικροοργανισμοί, συνήθως άχρωμοι, και είναι η μικρότερη μορφή ζωής ικανή να συνθέσει

πρωτόπλασμα. Εκτός από το σχήμα της ράβδου (βάκιλοι) που αναφέρθηκε πιο πάνω, τα

βακτήρια μπορεί επίσης να είναι σφαιρικά (cocci) ή σε σχήμα σπιράλ (spirillia). Πολλές α-

σθένειες μεταδίδονται μέσω παθογόνων βακτηριδίων που υπάρχουν στο νερό.

Για παράδειγμα χολέρα, ασθένεια που βασάνιζε την Ευρώπη κατά τη διάρκεια του 18ου

και19ου αιώνα, μεταδίδεται μέσω του βακτηρίου ”Vibrio romina”. Ο τυφοειδής πυρετός, εί-

ναι επίσης μια ασθένεια που μεταδίδεται από το παθογόνο βακτήριο “Salmonela typhosa”

μέσω του νερού. Παρότι ο εμβολιασμός των ανθρώπων και η απολύμανση των πόσιμων υ-

δάτων, έχουν περιορίσει τη χολέρα και τον τυφοειδή πυρετό στα περισσότερα μέρη του κό-

σμου, σε περιοχές του τρίτου κόσμου όπου επικρατούν συνωστισμός και κακές συνθήκες

υγιεινής, εμφανίζονται κατά καιρούς ξεσπάσματα αυτών και άλλων ασθενειών.

Ιοί (Viruses)

Οι ιοί είναι οι μικρότερες βιολογικές δομές που είναι γνωστές, και περιέχουν όλες τις γενε-

τικές πληροφορίες, απαραίτητες για την αναπαραγωγή τους. Είναι τόσο μικροί ώστε πρακτι-

κά μπορούμε να τα δούμε μόνο με τη βοήθεια ηλεκτρονικού μικροσκοπίου. Οι ιοί δρουν ως

παράσιτα τα οποία απαιτούν ένα άλλο κύτταρο ως μέσο εντός του οποίου θα ζήσουν και θα

αναπαραχθούν.

Υπάρχει πληθώρα ιογενών ασθενειών μερικές δε όπως παραδείγματος χάριν η ηπατίτιδα με-

ταδίδονται και μέσω του νερού.

Παρότι οι συνήθεις πρακτικές απολύμανσης είναι γνωστό ότι εξουδετερώνουν τους ιούς, η

εξασφάλιση μιας δραστικής και αποτελεσματικής απολύμανσης για τους ιούς είναι δύσκολη,

27

και οφείλεται στο μικρό μέγεθος των οργανισμών και στην απουσία γρήγορων και αξιόπι-

στων μεθόδων ανίχνευσης και μέτρησής τους.

Πρωτόζωα

Είναι μονοκύτταροι οργανισμοί, πιο σύνθετοι στην λειτουργική τους δραστηριότητα από τα

βακτήρια. Είναι εντελώς αυτόνομοι και μπορούν να ζουν ελεύθερα ή παρασιτικά, να είναι

παθογόνοι ή μη παθογόνοι. Μικροσκοπικοί, ευπροσάρμοστοι, τα πρωτόζωα είναι ευρέως

διαδεδομένα στα φυσικά ύδατα, παρότι μόνο μερικά είδη πρωτόζωων είναι παθογόνα.

Κάτω από αντίξοες συνθήκες διαβίωσης, τα πρωτόζωα δημιουργούν κύστες, οι οποίες είναι

δύσκολο να καταστραφούν ακόμα και αν αποξηρανθούν.

Δείκτες Παθογόνων Μικροοργανισμών

Η λεπτομερείς ανάλυση ενός δείγματος νερού για την ταυτοποίηση και μέτρηση της συγκέ-

ντρωσης όλων των γνωστών ειδών παθογόνων μικροοργανισμών είναι μια διαδικασία πολύ

χρονοβόρα και υψηλού κόστους. Μετρήσεις αυτού του είδους γίνονται μόνο όταν υπάρχει

υποψία ότι υπάρχουν συγκεκριμένοι παθογόνοι οργανισμοί σε ένα δείγμα. Σε άλλες περι-

πτώσεις η καθαρότητα του νερού, ελέγχεται χρησιμοποιώντας “οργανισμούς-δείκτες”.

Ένας “οργανισμός-δείκτης” είναι αυτός του οποίου η παρουσία προϋποθέτει ότι έχει συμβεί

μόλυνση και μας πληροφορεί για τη φύση και την έκταση του τρόπου μόλυνσης. Ένας ιδα-

νικός “οργανισμός-δείκτης” χαρακτηρίζεται από τις ακόλουθες ιδιότητες:

(1) Εφαρμόσιμος σε όλους τους τύπους δειγμάτων νερού,

(2) Πάντοτε παρών όταν υπάρχουν και άλλοι παθογόνοι οργανισμοί,

(3) Πάντοτε απών όταν τα παθογόνα απουσιάζουν,

(4) Δίδει ποσοτικές μετρήσεις με αξιόπιστα αποτελέσματα

(5) Για την ασφάλεια του προσωπικού του εργαστηρίου, δεν πρέπει να είναι ο ίδιος πα-

θογόνος.

Τα περισσότερα από τα παθογόνα που απαντώνται στο νερό, εισέρχονται σε αυτό μέσω της

περιττωματικής μόλυνσης. Έτσι οποιοσδήποτε αυτόχθων οργανισμός του εντερικού συστή-

ματος των ανθρώπων ή των ζώων θα ικανοποιούσε τα παραπάνω κριτήρια και θα ήταν ένας

καλός “οργανισμός δείκτης” κατά περίπτωση. Οι οργανισμοί που βρίσκονται πιο κοντά σ’

αυτές τις απαιτήσεις ανήκουν στην ομάδα των περιττωματικών coliform. Αποτελούνται από

διάφορες ποικιλίες βακτηρίων το κυριότερο των οποίων είναι το “Escherichia coli”. Οι ορ-

γανισμοί αυτοί απαντώνται αποκλειστικά στο εντερικό σύστημα των θερμόαιμων ζώων, και

28

εκκρίνονται σε μεγάλους αριθμούς μέσω των περιττωμάτων. Οι οργανισμοί του είδους

coliform δεν είναι συνήθως παθογόνοι, και πιστεύεται ότι έχουν ικανό χρόνο επιβίωσης έξω

από το σώμα του ζώου απ’ ότι οι περισσότεροι άλλοι παθογόνοι μικροοργανισμοί. Ο ρυθμός

θανάτου των επιζώντων “οργανισμών-δεικτών” θα μπορούσε να χρησιμεύσει σαν μια ένδει-

ξη του χρόνου που πέρασε απ’ την αρχική στιγμή που συνέβη η μόλυνση μέχρι τη στιγμή

της δειγματοληψίας.

Είναι συνήθης τακτική να χρησιμοποιείται το σύνολο της ομάδας των coliforms ως δείκτες

της ποιότητας του πόσιμου νερού. Ως δείκτες ποιότητας για τα υγρά απόβλητα χρησιμοποι-

ούνται μόνον οι περιττωματικής προέλευσης μικροοργανισμοί της ομάδας coliform. Για τον

καθορισμό της παρουσίας ή της απουσίας των βακτηρίων coliform στο νερό, για την απα-

ρίθμηση της ποσότητας τους, και για τη μέτρηση των περιττωματικής προέλευσης coliform,

χρησιμοποιούνται απλές μέθοδοι και μέσα που περιγράφονται αναλυτικά στη βιβλιογραφία.

Η τεχνική της “μεμβράνης φίλτρου”, μια τεχνική δημοφιλής στους μηχανικούς περιβάλλο-

ντος, δίδει μια άμεση μέτρηση των βακτηρίων τύπου coliform. Σε αυτήν την μέθοδο μέτρη-

σης, ένα μέρος του δείγματος διηθείται μέσω μιας μεμβράνης, οι πόροι της οποίας δεν ξε-

περνούν τα 0,45 μm. Τα βακτήρια συγκρατούνται στο φίλτρο, και μετά τοποθετούνται σε

ειδικά θρεπτικά υπόστρώματα ώστε να προωθηθεί η ανάπτυξη των βακτηριών coliform, ενώ

ταυτόχρονα αναστέλλεται η ανάπτυξη των άλλων μικροοργανισμών. Το εμβολιασμένο θρε-

πτικό στρώμα επωάζεται στην κατάλληλη θερμοκρασία για 24 ώρες, επιτρέποντας στα βα-

κτήρια τύπου coliform να αναπτυχθούν σε ορατές αποικίες, οι οποίες μετρώνται. Τα αποτε-

λέσματα αναφέρονται ως: “αριθμός των οργανισμών ανά ορισμένο όγκο νερού”.

Οι τεχνικές δειγματοληψίας και η επακόλουθη διαχείριση των δειγμάτων είναι άκρως σημα-

ντικές, διότι τα δείγματα μπορούν εύκολα να επιμολυνθούν στη διάρκεια της λήψης τους.

Λεπτομερείς διαδικασίες δειγματοληψίας, προετοιμασίας του δείγματος και αποστείρωσης

του εργαστηριακού εξοπλισμού, τόσο για την τεχνική “μεμβράνης-φίλτρου” όσο και για άλ-

λες τεχνικές, παρουσιάζονται στο βιβλίο “ Standard Methods for the Examination of Water

and Waste Water” το οποίο εκδίδεται σε τακτά χρονικά διαστήματα και περιέχει όλες τις

μεθόδους μέτρησης των παραμέτρων ποιότητος νερού και υγρών αποβλήτων.

29

2. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΝΑΠΤΗΞΗΣ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ

ΚΑΜΠΥΛΗ ΑΝΑΠΤΗΞΗΣ ΠΛΗΘΥΣΜΟΥ

Δεδομένων των απαραίτητων θρεπτικών συστατικών τα κύτταρα των μικροοργανισμών αρ-

χίζουν την διαδικασία του πολλαπλασιασμού τους. Συνήθως οι μονοκύτταροι οργανισμοί

πολλαπλασιάζονται με διαίρεση των υπαρχόντων κυττάρων. Κατ’ αυτόν τον τρόπο η κινητι-

κή (ταχύτητα) ανάπτυξής τους είναι πάντοτε ανάλογη του υπάρχοντος πληθυσμού. Με ε-

πάρκεια θρεπτικών συστατικών οι οργανισμοί αυτοί γρήγορα εισέρχονται σε μία ταχύτατη

φάση λογαριθμικής ανάπτυξης. Η φάση αυτή ανακόπτεται μόνο όταν ένα ή περισσότερα

από τα απαιτούμενα συστατικά δράσουν περιοριστικά (limiting factors) λόγω έλλειψής τους

στο περιβάλλον των πολλαπλασιασμένων κυττάρων.

Η τυπική καμπύλη ανάπτυξης ενός πληθυσμού μονοκυττάρων μικροοργανισμών μέσα σε

ένα συγκεκριμένο χώρο (batch culture) ακολουθεί τα ακόλουθα στάδια (φάσεις), (Σχήμα 1):

1. Φάση Επώασης (Lag Phase)

Κατά την φάση αυτή δεν παρατηρείται αλλαγή του αριθμού των κυττάρων αλλά μό-

νον φυσιολογικές διαφοροποιήσεις σε προετοιμασία για τον πολλαπλασιασμό

τους. 0dN

dt

(Όπου Ν ο συνολικός αριθμός των μονοκύτταρων οργανισμών στην

υπό εξέταση καλλιέργεια)

2. Φάση Επιταχυνόμενης Ανάπτυξης (Accelerating Growth Phase)

Κατά την φάση αυτή αρχίζει η διαίρεση των κυττάρων. Η ταχύτητα (ρυθμός) ανά-

πτυξης του συνολικό αριθμού αυξάνει 0dN

dt

3. Λογαριθμική Φάση Ανάπτυξης (Exponential Growth Phase)

Κατά την φάση αυτή επιτυγχάνεται η μέγιστη ταχύτητα ανάπτυξης η οποία διατηρεί-

ται σταθερά και είναι χαρακτηριστική του συγκεκριμένου οργανισμού που αναπτύσ-

σεται, προϋποθέτει αφθονία όλων των απαιτούμενων θρεπτικών συστατικών και ά-

ριστες περιβαλλοντικές συνθήκες ανάπτυξης

dNk

dt

30

4. Φάση Φθίνουσας Ανάπτυξης (Declining Growth Phase)

Κατά την φάση αυτή η ταχύτητα ανάπτυξης σταδιακά φθίνει μέχρις ότου ο συνολι-

κός αριθμός κυττάρων δεν μεταβάλλεται πλέον 0

dN

dt. Η καλλιέργεια αντιμετω-

πίζει περιορισμούς στην διαθεσιμότητα θρεπτικών συστατικών.

5. Φάση στασιμότητας (Stationary Phase)

Στη φάση αυτή έχουμε δυναμική ισορροπία μεταξύ των κυττάρων που νεκρώνουν

και αυτών που παράγονται. Στην φάση αυτή ο αριθμός των κυττάρων παραμένει

σταθερός 0

dN

dt.

6. Φάση Ενδογενούς Μεταβολισμού ( Endogenous Metabolism Phase)

Κατά την φάση αυτή τα κύτταρα εξακολουθούν κατ’ αρχάς τον μεταβολισμό τους

χρησιμοποιώντας ενδοκυτταρικά αποθέματα θρεπτικών. Όταν αυτά εξαντληθούν αρ-

χίζει ο θάνατος και η λύση (lysis) των κυττάρων 0dN

dt

.

Η τυπική μορφή μίας καμπύλης ανάπτυξης των μικροοργανισμών έχει την ακόλουθη μορφή:

Σχήμα 1. Καμπύλη ανάπτυξης μικροοργανισμών

Οι λεπτομέρειες της μελέτης της κινητικής της ανάπτυξης των μικροοργανισμών και η πο-

σοτική περιγραφή της μέσω του ομοιώματος MONOD περιγράφονται στο επόμενο κεφά-

λαιο.

31

3. ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ

Μια από τις πλέον επιτυχημένες εξισώσεις περιγραφής της κινητικής ανάπτυξης των μικρο-

οργανισμών είναι η εξίσωση του MONOD η οποία είναι βασισμένη στην κινητική των εν-

ζυματικών αντιδράσεων του Michaelis Menten όπως περιγράψαμε στο 6ο εξάμηνο.

Το μαθηματικό ομοίωμα του MONOD (Monod Model) θυμίζουμε ότι είναι το ακόλουθο:

o

m

K SXdX

dt K S

(3.1)

όπου:

X= Συγκέντρωση Βιομάζας π.χ. σε mg/L

t= Χρόνος

S= Συγκέντρωση θρεπτικού το οποίο ελέγχει την ταχύτητα ανάπτυξης π.χ. σε mg/L

Ko, Km= Χαρακτηριστικές βιοκινητικές σταθερές με αντίστοιχες μονάδες (T-1, M/L3).

Ο συσχετισμός της κινητικής (αποικοδόμησης) κατανάλωσης του θρεπτικού συστατικού S

που ελέγχει τη βιολογική διεργασία συνδέεται με την ταχύτητα ανάπτυξης της βιομάζας μέ-

σω του βαθμού απόδοσης Y: ο οποίος θεωρείται ότι είναι μια χαρακτηριστική σταθερά του

εκάστοτε συστήματος και περιγράφεται στην εξίσωση :

dX dS

Ydt dt

(3.2)

όπου:

Μοναδες Βιομαζας που παρηχθησαν

Μοναδες Θρεπτικου που καταναλώθηκαν

(3.3)

Με βάση τη σχέση (3.2) ορίζουμε την ταχύτητα κατανάλωσης των θρεπτικών ως ακολού-

θως:

o

m

K SXdS

dt Y K S

(3.4)

Κατά τη φάση ενδογενούς μεταβολισμού των κυττάρων η ταχύτητα μείωσης της βιομάζας

λόγω της διεργασίας της αυτοξείδωσης των μικροοργανισμών, περιγράφεται από τη σχέση

(3.5):

d

dXK X

dt (3.5)

όπου:

Kd= Σταθερά ενδογενούς μεταβολισμού συνήθως σε μονάδες d-1

32

Επομένως σε ένα βιολογικό αντιδραστήρα η σχέση η οποία περιγράφει την κινητική της τε-

λικής/καθαρής (net) αλλαγής της συγκέντρωσης της μετρούμενης βιομάζας είναι η ακόλου-

θη:

od

net m

K SXdXK X

dt K S

(3.6)

Ως ειδική ταχύτητα ανάπτυξης βιομάζας μ ορίζεται η τιμή :

1 dX

X dtμ (3.7)

η οποία προφανώς έχει διαστάσεις T-1.

3.1. ΕΙΔΙΚΕΣ ΠΕΡΙΠΤΩΣΕΙΣ / ΜΟΡΦΕΣ ΤΗΣ ΚΙΝΗΤΙΚΗΣ ΕΞΙΣΩΣΗΣ MONOD

Θα εξετάσουμε τις ειδικές μορφές που λαμβάνει η κινητική εξίσωση κατανάλωσης του θρε-

πτικού S , ή της ανάπτυξης της βιομάζας X κάτω από ειδικές συνθήκες συγκέντρωσης θρε-

πτικών στο περιβάλλον ανάπτυξης (π.χ. στο εσωτερικό ενός βιολογικού αντιδραστήρα):

ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ .

Η συγκέντρωση θρεπτικών S στο περιβάλλον ανάπτυξης των μικροοργανισμών είναι πολύ

χαμηλή Η συνθήκη αυτή μπορεί να περιγραφεί από τη σχέση:

mS K ή m mS K K

Τότε η εξίσωση (3.1) λαμβάνει τη μορφή:

o o

m m

K S KS S

K Kμ μ (3.8)

όπου:

o

m

K

Kμ (3.9)

Η σχέση (3.9) περιγράφει κινητική πρώτης τάξεως ως προς το S και επομένως η ειδική τα-

χύτητα ανάπτυξης της βιομάζας για πολύ χαμηλές τιμές S , είναι ευθέως ανάλογη της συ-

γκεντρώσεως θρεπτικών στο περιβάλλον της βιομάζας, Γραφικά η συσχέτιση αυτή περιγρά-

φεται ως ακολούθως:

33

Σχήμα 2. Η ειδική ταχύτητα ανάπτυξης της βιομάζας είναι ανάλογη της συγκέντρωσης των θρεπτικών συστατικών.

ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ .

Η συγκέντρωση του ελέγχοντος θρεπτικού στο περιβάλλον της καλλιέργειας είναι υψηλή.

Και επομένως:

mS K ή mS K S

Τότε η εξίσωση (3.1) λαμβάνει τη μορφή:

oo

K S1 dXK

X dt Sμ (3.10)

Δηλαδή η ειδική ταχύτητα ανάπτυξης βιομάζας για υψηλές συγκεντρώσεις S , είναι μηδενι-

κής τάξεως ως προς τη συγκέντρωση θρεπτικών S στο περιβάλλον ανάπτυξης βιομάζας και

ισούται με την oK η οποία είναι και η μέγιστη ειδική ταχύτητα ανάπτυξης βιομάζας. Γραφι-

κά η σχέση αυτή έχει την ακόλουθη μορφή:

34

Σχήμα 3. Η ειδική ταχύτητα ανάπτυξης της βιομάζας είναι σταθερή και μηδενικής τάξης ως προς την συγκέντρωση του υποστρώματος.

ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ .

Η συγκέντρωση του ελέγχοντος θρεπτικού στο περιβάλλον του αντιδραστήρα έχει τιμή ιδίας

τάξης με την τιμή της σταθεράς mK .

Τότε η εξίσωση (3.1) λαμβάνει τη μορφή:

mS K ή mS K 2S

και επομένως

o oK S K1 dX

X dt 2S 2μ (3.11)

Δηλαδή η τιμή της κινητικής σταθεράς mK είναι η συγκέντρωση θρεπτικών S εις την οποία

έχουμε ειδική ταχύτητα ανάπτυξης της βιομάζας ίση με oK / 2 (ήμισυ της μέγιστης ειδικής

ταχύτητας ανάπτυξης Ko)

Επομένως δύναται κανείς να χωρίσει την καμπύλη που παριστά το μοντέλο MONOD σε

τρεις γενικές περιοχές ανάλογα με την συγκέντρωση θρεπτικών συστατικών S όπως φαίνε-

ται στο σχήμα που ακολουθεί:

35

Σχήμα 4. Η καμπύλη του Monod ανάλογα με την συγκέντρωση του υποστρώματος S.

4. ΒΙΟΧΗΜΙΚΑ ΚΑΙ ΧΗΜΙΚΑ ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΟ ΟΞΥΓΟΝΟ

4.1. ΒΙΟΧΗΜΙΚΑ ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΟ ΟΞΥΓΟΝΟ (BOD)

Το βιοχημικά απαιτούμενο οξυγόνο (Biochemical Oxygen Demand, BOD) χρησιμο-

ποιείται ευρύτατα για τον έμμεσο προσδιορισμό του οργανικού φορτίου ενός αποβλήτου. Το

BOD ενός αποβλήτου σχετίζεται με την ποσότητα του οξυγόνου που θα πρέπει να διοχετευ-

τεί σε ένα απόβλητο είτε από το σύστημα αερισμού σε μια μονάδα ενεργού ιλύος, είτε από

φυσικό αερισμό σε έναν υδάτινο αποδέκτη. Για τον πειραματικό προσδιορισμό του BOD, το

δείγμα του υγρού αποβλήτου εμβολιάζεται με βακτήρια και θρεπτικά συστατικά (αν κρίνε-

ται απαραίτητο) και επωάζεται για διάστημα 5 ημερών σε θερμοκρασία 20°C. Μετά την ε-

πώαση, μετράται η μεταβολή της συγκέντρωσης του διαλελυμένου οξυγόνου στο δείγμα και

το αποτέλεσμα δίδεται ως BOD5 εκφρασμένο σε mg O2/l. Οι βιοχημικές αντιδράσεις που

λαμβάνουν χώρα στη φιάλη προσδιορισμού του BOD είναι αερόβιες και εξελίσσονται σε

δύο φάσεις. Οι μικροοργανισμοί, αρχικά, χρησιμοποιούν το οργανικό υλικό για τη σύνθεση

της κυτταρικής τους μάζας, προκαλώντας γρήγορη αύξηση του BOD εντός 1-3 ημερών. Η

δράση αυτή μπορεί να παρασταθεί με την εξίσωση:

ί2 3ήΎ έ ό CO NH ... έ ύ (4.1)

36

Μετά τη φάση της γρήγορης αφομοίωσης του οργανικού υλικού από το διάλυμα, ο

ρυθμός κατανάλωσης του οξυγόνου επιβραδύνεται και τα κύτταρα περνούν στη φάση της

ενδογενούς αναπνοής με κατανάλωση της κυτταρικής τους μάζας και άλλων οργανικών

προϊόντων. Οι αντιδράσεις οξείδωσης του άνθρακα σταματούν μετά από διάστημα περίπου

20-30 ημερών και το οργανικό υλικό σταθεροποιείται. Κατά τη διάρκεια των πρώτων 5 ημε-

ρών για τον προσδιορισμό του BOD, παρατηρείται το 60-70% της ολικής κατανάλωσης ο-

ξυγόνου (BODL) για την οξείδωση του οργανικού άνθρακα (Σχήμα 5).

Σχήμα 5. Η μεταβολή του BOD σε σχέση με το χρόνο.

Για τον πειραματικό προσδιορισμό του BOD, το δείγμα αραιώνεται κατάλληλα με α-

ποσταγμένο νερό, στο οποίο έχουν προστεθεί ανόργανα άλατα για τον έλεγχο του pH και

της οσμωτικής πίεσης καθώς και εμβόλιο μικροοργανισμών. Η επώαση διαρκεί 5 ημέρες

στους 20°C. Μετά την επώαση μετριέται το διαλελυμένο οξυγόνο και στις δύο φιάλες. Η

απαίτηση σε οξυγόνο του αποβλήτου μπορεί να υπολογιστεί από τη σχέση:

m m w w d dBOD V BOD V BOD V (4.2)

όπου:

mBOD το BOD του μείγματος αποβλήτου και του νερού αραίωσης μαζί με το εμβόλιο

wBOD το BOD του αποβλήτου

dBOD το BOD του νερού αραίωσης μαζί με το εμβόλιο

37

mV ο όγκος του μείγματος αποβλήτου και του νερού αραίωσης μαζί με το εμβόλιο

( wV + dV )

wV ο όγκος του αποβλήτου

dV ο όγκος του νερού αραίωσης μαζί με το εμβόλιο

Αν ορίσουμε ως P την αναλογία της αραίωσης του δείγματος, τότε:

w

m

VP

V (4.3)

και η αναλογία του νερού αραίωσης μαζί με το εμβόλιο στο δείγμα είναι:

d

m

V1 P

V (4.4)

Λύνοντας την εξίσωση (4.2) ως προς wBOD έχουμε:

m dw m d

w w

V VBOD BOD BOD

V V (4.5)

ή

m d mw d

w m w m

BOD V VBOD BOD

V V V V (4.6)

από όπου έχουμε:

m dw

BOD BOD (1 P)BOD

P

(4.7)

και επειδή:

m ό ό

ί w ά έ ό d m ό

ί ά έ ό ό

ά έ ό ό ί ά έ ό

BOD DO DO

(DO V DO V ) / V DO

DO P DO (1 P) DO

DO DO (DO DO )P

(4.8)

και

d ά έ ό ά έ όBOD DO DO (4.9)

έχουμε τελικά:

ό ό ά έ ό ά έ όw

(DO DO ) (DO DO )(1 P)BOD

P

(4.10)

Αν οι τιμές του διαλελυμένου οξυγόνου στη φιάλη ελέγχου δεν έχουν διαφορά, τότε:

38

ό όw

(DO DO )BOD

P

(4.11)

Στην περίπτωση που έχουμε μετρήσει τη συγκέντρωση του διαλελυμένου οξυγόνου

στο δείγμα, τότε, από τις (4.7), (4.8) και (4.9), έχουμε:

ί ά έ ό όw

ά έ ό ά έ ό

[DO P DO (1 P) DO ]BOD

P(DO DO )(1 P)

P

ή

ί ό ά έ όw

DO P DO DO (1 P)BOD

P

w ί ά έ ό ά έ ό ό

1BOD (DO DO ) (DO DO )

P

ή τελικά

m ( ml)w ί ά έ ό ά έ ό ό

w ( ml)

VBOD (DO DO ) (DO DO )

V

όπου:

ά έ όDO η αρχική συγκέντρωση διαλελυμένου οξυγόνου στο νερό αραίωσης μα-

ζί με το εμβόλιο στη φιάλη ελέγχου (control)

ά έ όDO η τελική συγκέντρωση διαλελυμένου οξυγόνου στο νερό αραίωσης μαζί

με το εμβόλιο στη φιάλη ελέγχου (control)

ίDO η αρχική συγκέντρωση του διαλελυμένου οξυγόνου στο δείγμα του α-

ποβλήτου (πριν την αραίωση)

όDO η τελική συγκέντρωση του διαλελυμένου οξυγόνου στη φιάλη με το

δείγμα (απόβλητο συν νερό αραίωσης και εμβόλιο)

Το άζωτο στο οργανικό φορτίο του αποβλήτου προέρχεται κυρίως από τις πρωτεΐνες

και την ουρία και μετατρέπεται σε NH3 κατά τη διάρκεια της οξείδωσης του άνθρακα. Μετά

από περίπου 12 ημέρες, τα νιτροποιητικά βακτήρια ξεκινούν την οξείδωση της αμμωνίας με

αποτέλεσμα την αύξηση της κατανάλωσης του οξυγόνου και, άρα, αύξηση του παρατηρού-

μενου BOD σύμφωνα με τις ακόλουθες αντιδράσεις:

3 2 2 2NH 3/ 2O HNO H O Nitrosomonas (4.12)

2 2 3HNO 1/ 2O HNO Nitrobacter (4.13)

39

Στη δεύτερη φάση η τελική τιμή του BOD, αναφέρεται ως BODLN και εμφανίζεται πε-

ρίπου μετά από 50 ημέρες (Σχήμα 5).

Η κινητική κατανάλωσης του οξυγόνου κατά το πείραμα προσδιορισμού του BOD

μπορεί να περιγραφεί ως μια κινητική πρώτης τάξης σύμφωνα με την εξίσωση:

2

2

OO

dCkC

dt (4.14)

όπου:

2OC η συγκέντρωση του διαλελυμένου οξυγόνου την χρονική στιγμή t.

Ολοκληρώνοντας την εξίσωση (4.14), λαμβάνουμε τη σχέση:

2 2

ktO O ήC (t) C e

(4.15)

όπου

2O ήC η αρχική τιμή του διαλελυμένου οξυγόνου, η μέγιστη θεωρητική απαίτηση του ο-

ξυγόνου για την οξείδωση του οργανικού άνθρακα (BODL).

Άρα, λοιπόν, η κατανάλωση οξυγόνου τη χρονική στιγμή t, δηλαδή η τιμή του BOD

μέχρι το χρόνο t, δίδεται από τη σχέση:

2 2 2 2

2

ktt O ή O O ή O ή

kt ktO ή L

BOD C C (t) C C e

C (1 e ) BOD (1 e )

(4.16)

ή διαφορετικά:

ktL t

L

BOD BODe

BOD

(4.17)

kt Ktt L LBOD BOD (1 e ) BOD (1 10 ) (4.18)

όπου:

tBOD η ποσότητα του BOD που καταναλώθηκε στο δείγμα μετά από t ημέρες

LBOD η αρχική ποσότητα του BOD του δείγματος που σχετίζεται με την οξείδωση του

οργανικού άνθρακα

k η μέση τιμή της σταθεράς της αντίδρασης κατανάλωσης του οξυγόνου (ημέρες-1)

και

k

K2,303

(4.19)

40

Ο ρυθμός της αντίδρασης επηρεάζεται από τη θερμοκρασία και συνήθως εκφράζεται

με μία σχέση της μορφής:

( 20 C)T 20 Ck k

(4.20)

όπου η παράμετρος θ κυμαίνεται μεταξύ 1,047-1,135. Ως συνήθης τιμή της παραμέτρου θ

λαμβάνεται η τιμή 1,135 για το θερμοκρασιακό εύρος 4-20°C και η τιμή 1,056 για το θερ-

μοκρασιακό εύρος 20-30°C.

Ο προσδιορισμός της τιμής του BOD υπόκειται σε πολλούς περιορισμούς. Οι μικρο-

οργανισμοί με τους οποίους εμβολιάζουμε το απόβλητο θα πρέπει να προσαρμοστούν στο

περιβάλλον του αποβλήτου πριν ξεκινήσει η οξείδωση του οργανικού άνθρακα. Η διάρκεια

της μέτρησης που απαιτεί χρονικό διάστημα 5 ημερών κάνει την παράμετρο αυτή ακατάλ-

ληλη για χρήση στην άμεση διαδικασία ελέγχου των μονάδων βιολογικού καθαρισμού,

(process control). Επιπλέον, πολλές οργανικές ενώσεις είναι μη βιοαποικοδομήσιμες, γεγο-

νός που σημαίνει ότι στα απόβλητα αυτά δεν μπορεί να μετρηθεί το BOD.

4.2. ΧΗΜΙΚΑ ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΟ ΟΞΥΓΟΝΟ (COD)

To χημικά απαιτούμενο οξυγόνο (Chemical Oxygen Demand, COD) είναι μια παράμε-

τρος που σχετίζεται με τη χημική οξείδωση των οργανικών μορίων (ρυπαντών) ενός απο-

βλήτου. Η διαδικασία βασίζεται στην οξείδωση του δείγματος με διχρωμικό κάλιο

(Κ2Cr2Ο7) παρουσία οξέος και συνήθως καταλύτη θειικού αργύρου, για χρονικό διάστημα 2

ωρών σε θερμοκρασία 150°C. Η αντίδραση οξείδωσης του οργανικού υλικού μπορεί να πα-

ρασταθεί ως ακολούθως:

2 22 7 2 2 2 4ό ό Cr O CO H O Cr O (4.21)

Το οργανικό άζωτο μετατρέπεται είτε σε αμμωνία είτε σε νιτρικά ιόντα ανάλογα με τη

μορφή του αζώτου στο οργανικό μόριο.

Η τιμή του COD ενός αποβλήτου είναι συνήθως μεγαλύτερη από την τιμή του BOD

επειδή οργανικά μόρια που δεν είναι βιοαποικοδομήσιμα και, άρα, δεν προσδιορίζονται με

τη δοκιμή του BOD, οξειδώνονται κατά τον προσδιορισμό του COD.

41

4.3. ΑΣΚΗΣΕΙΣ

4.3.1. Άσκηση 1

Για τον προσδιορισμό του BOD αποβλήτου, τοποθετούνται 10 ml αυτού σε μία φιάλη

των 300 ml και η φιάλη συμπληρώνεται με νερό αραίωσης που περιέχει βακτήρια και θρε-

πτικά. Παράλληλα χρησιμοποιείται και μια δεύτερη φιάλη των 300 ml που περιέχει μόνο

νερό αραίωσης. Και οι δύο φιάλες επωάζονται για 5 μέρες στους 20°C. Οι μετρήσεις του

διαλελυμένου οξυγόνου έχουν ως ακολούθως:

Αρχική συγκέντρωση διαλελυμένου οξυγόνου στο δείγμα του αποβλήτου ίDO =

2 mg/l

Τελική συγκέντρωση διαλελυμένου οξυγόνου στο νερό αραίωσης ά έ όDO =

8 mg/l

Τελική συγκέντρωση διαλελυμένου οξυγόνου στη φιάλη με το δείγμα όDO =

3,4 mg/l

(α) Να προσδιοριστεί η τιμή του BOD5 για το δείγμα του αποβλήτου.

(β) Αν COD = 1,5 BOD5, πόσα mg Κ2Cr2O7 θα απαιτηθούν για την οξείδωση 10 ml του

αποβλήτου αυτού;

Απάντηση

m ( ml)w ί ά έ ό ά έ ό ό

w ( ml)

VBOD (DO DO ) (DO DO )

V

5

300mlBOD (2,0mg / l 8,0mg / l) (8,0mg / l 3,4mg / l) 6mg / l 138mg / l 132mg / l

10ml

Το COD του αποβλήτου σύμφωνα με τα δεδομένα θα είναι:

COD = 1,5*132 mg/l =198 mg Ο2/l

Το μοριακό βάρος του K2Cr2O7 είναι 294. Κάθε 1 mol K2Cr2O7 αποδίδει 3 * 16 g O2 για την

οξείδωση της οργανικής ύλης σύμφωνα με την αντίδραση:

2 22 7 2 2 2 4ό ό Cr O CO H O Cr O (4.22)

(απαιτούνται 2 άτομα οξυγόνου για την οξείδωση του άνθρακα και 1 άτομο οξυγόνου για

την οξείδωση του υδρογόνου).

Άρα, η κατανάλωση του K2Cr2O7 στην περίπτωση μας θα είναι:

42

2 2 722 2 7

2

294mg K Cr Omg O198 x 0,01 l x 12,1mg K Cr O

l 3*16mg O

4.3.2. Άσκηση 2

Σε μία δοκιμή ελέγχου για το πείραμα του BOD, η συγκέντρωση του διαλελυμένου

οξυγόνου στη φιάλη ελέγχου (δηλαδή αποσταγμένο νερό εμβολιασμένο με μικροοργανι-

σμούς και θρεπτικά), μειώθηκε κατά 1 mg/l σε διάστημα 5 ημερών. Η αντίστοιχη μείωση

της συγκέντρωσης του διαλελυμένου οξυγόνου στο δείγμα μέτρησης που προέκυψε από α-

ραίωση 15 ml του δείγματος σε τελικό όγκο 300 ml ήταν 7,2 mg/l. Να υπολογίσετε το BOD5

του αποβλήτου.

Απάντηση

Από τη σχέση:

ό ό ά έ ό ά έ όw

(DO DO ) (DO DO )(1 P)BOD

P

έχουμε:

5 2

7, 2 1*(1 15 / 300)BOD 125mg O / l

15 / 300

4.3.3. Άσκηση 3

Το διαλελυμένο οξυγόνο ενός αραιωμένου δείγματος αποβλήτου έχει αρχική τιμή 9,0

mg/l. Μετά από πάροδο 5 ημερών το διαλελυμένο οξυγόνο μειώνεται στην τιμή των 3,0

mg/l. Ο λόγος αραίωσης είναι 0,030 και η σταθερά της αντίδρασης k εκτιμάται 0,22/ημέρα

στους 20°C.

(α) Να υπολογίσετε το BOD5 του αποβλήτου.

(β) Ποια είναι η τελική τιμή BODL του αποβλήτου.

(γ) Ποια είναι η απαίτηση στην κατανάλωση οξυγόνου μετά από τις 5 ημέρες.

(δ) Ποια είναι η τιμή BOD5 του αποβλήτου στους 25°C.

Απάντηση

(α) Από τη σχέση

ό όw

(DO DO )BOD

P

(4.23)

43

υπολογίζουμε το BOD5 του αποβλήτου,

5

(9,0 3,0)BOD 200 mg / l

0,030

(β) Από τη σχέση

ktt LBOD BOD (1 e ) (4.24)

υπολογίζουμε το BODL

kt (0,22*5) (0,22*5)L t 5BOD BOD /(1 e ) BOD /(1 e ) 200 /(1 e ) 300 mg / l

(γ) Από τα 300 mg/l τελικής απαίτησης σε οξυγόνο, τα 200 mg/l έχουν καταναλωθεί εντός

των πρώτων 5 ημερών. Άρα, η κατανάλωση οξυγόνου μετά τις πρώτες 5 μέρες θα είναι 100

mg/l οξυγόνου.

(δ) Υπολογίζουμε την τιμή της σταθεράς της αντίδρασης στους 25°C από τη σχέση:

( 20 C)T 20 Ck k

(4.25)

(25 C 20 C) (25 C 20 C)25 C 20 Ck k 0,22(1,047) 0,277 / έ

k5 0,277*55 LBOD BOD (1 e ) 300(1 e ) 225 mg / l

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι τελική τιμή του BODL δεν εξαρτάται από τη θερμοκρασία, κα-

θώς είναι χαρακτηριστικό μέγεθος του αποβλήτου. Αντίθετα, η τιμή του BOD5 εξαρτάται

από τη θερμοκρασία καθώς αποτελεί μέγεθος που εξαρτάται από την κινητική της αντίδρα-

σης κατανάλωσης του οξυγόνου.

4.3.4. Άσκηση 4

(α) Να υπολογιστεί το BOD της πρώτης μέρας αν το BOD5 ενός αποβλήτου είναι 200 mg/l

στους 20°C (k = 0,23 d-1).

(β) Ποια θα ήταν η τιμή του BOD5 στους 25°C.

Απάντηση

(α) Από τη σχέση

ktt LBOD BOD (1 e )

έχουμε:

0,23*55 LBOD BOD (1 e ) 200

οπότε:

44

L 20,23*5

200 200BOD 293 mg O / l

(1 e ) 0,6834

άρα:

0,23*11 2BOD 293(1 e ) 293*0,205 60 mg O / l

(β) Λαμβάνοντας τη σχέση:

ktt LBOD BOD (1 e )

για τις δύο θερμοκρασίες έχουμε:

k(25 C)*55 LBOD (25 C) BOD (1 e )

k(20 C)*55 LBOD (20 C) BOD (1 e )

Από τη σχέση:

( 20 C)T 20 Ck k

Βρίσκουμε ότι:

(25 C 20 C) (25 C 20 C) 125 C 20 Ck k 1.056 0,23*1,056 0,23*1,313 0,302 d

Άρα:

k(25 C)*55

k(20 C)*55

BOD (25 C) (1 e )

BOD (20 C) (1 e )

0302*5

5 20,23*5

(1 e ) 0,779BOD (25 C) 200* 200* 228 mg O / l

(1 e ) 0,683

4.3.5. Άσκηση 5

Αν η σταθερά προσδιορισμού του BOD είναι k20=0,20 ημέρες–1, τι ποσοστό του BODL

θα παραμείνει στο δείγμα μετά από διάστημα 3 ημερών στους 25°C.

Απάντηση

ktt LBOD BOD (1 e )

k33 LBOD BOD (1 e )

Το ποσοστό που θα παραμείνει μετά από 3 ημέρες είναι:

k3 0,20*3 0,20*3L 3 3

L L

BOD BOD BOD1 1 (1 e ) 1 (1 e ) e 0,548

BOD BOD

45

δηλαδή θα παραμείνει στο διάλυμα 54,8 % της αρχικής απαίτησης σε κατανάλωση οξυγό-

νου.

4.3.6. Άσκηση 6

Αν το COD ενός αποβλήτου είναι 300 mg O2/l, πόσα mg/l Κ2Cr2O7 απαιτούνται για

την οξείδωση του.

Απάντηση

Το μοριακό βάρος του K2Cr2O7 είναι 294.

Κάθε 1 mol K2Cr2O7 αποδίδει 3 * 16 g O2 για την οξείδωση της οργανικής ύλης σύμφωνα

με την αντίδραση:

2 22 7 2 2 2 4ό ό Cr O CO H O Cr O (4.26)

(απαιτούνται 2 άτομα οξυγόνου για την οξείδωση του άνθρακα και 1 άτομο οξυγόνου για

την οξείδωση του υδρογόνου).

Άρα, η κατανάλωση του K2Cr2O7 στην περίπτωση μας θα είναι:

2 2 722 2 7 2 2 7

2

294mg K Cr Omg O300 x 1837,5 mg K Cr O / l 1,84g K Cr O / l

l 3*16mg O

46

5. ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ

Οι βασικοί στόχοι των τεχνικών (διεργασιών) επεξεργασίας υγρών αποβλήτων είναι:

Αφαίρεση των αιωρούμενων συστατικών (ανόργανων και οργανικών)

Μείωση του Διαλελυμένου Οργανικού Ανθρακα

Μείωση των λοιπών διαλελυμένων ρύπων (N, P, Μέταλλα, κλπ)

Εξουδετέρωση των παθογόνων μικροοργανισμών

Ανάλογα με τον επιθυμητό στόχο οι διεργασίες χωρίζονται σε βασικές ομάδες που περιλαμ-

βάνουν επιμέρους τεχνικές όπως ενδεικτικά παρουσιάζεται στο διάγραμμα που ακολουθεί:

Στα επόμενα κεφάλαια θα εξεταστούν συστηματικότερα οι πλέον βασικές τεχνικές με σκο-

πό να γίνουν αντιληπτοί οι μηχανισμοί που ελέγχουν τα φυσικά-χημικά-βιολογικά φαινόμε-

να τα οποία λειτουργούν σε κάθε μία από τις τεχνικές που θα περιγράψουμε.

5.1. ΑΦΑΙΡΕΣΗ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΑΝΟΡΓΑΝΩΝ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ

5.1.1. ΤΥΠΟΙ ΚΑΘΙΖΗΣ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ

Η αφαίρεση των αιωρούμενων σωματιδίων γίνεται συνήθως με την βοήθεια των δυνάμε-

ων της βαρύτητας με την χρήση των τεχνικών της καθίζησης (settling). Οι τεχνικές αυτές

χρησιμοποιούν τη διαφορά ειδικού βάρους των αιωρούμενων σωματιδίων σε σχέση με το

ειδικό βάρος του υγρού μέσου διασποράς τους. Ορίζονται τρεις τύποι καθίζησης ανάλογα με

τον μηχανισμό που ισχύει σε κάθε περίπτωση:

(1) Καθίζηση τύπου . Ορίζεται η καθίζηση ανεξάρτητων σωματιδίων τα οποία δεν αλληλε-

πιδρούν μεταξύ τους κατά την πορεία τους προς τον πυθμένα της δεξαμενής που καθιζά-

νουν (Discrete particle Settling).

(2) Καθίζηση τύπου . Ορίζεται η καθίζηση σωματιδίων τα οποία συσσωματώνονται και

αλλάζουν την χαρακτηριστική συμπεριφορά καθίζησης στην διάρκεια της πορείας τους

προς τον πυθμένα της δεξαμενής όπου καθιζάνουν (Flocculent Settling).

(3) Καθίζηση τύπου . Ορίζεται η καθίζηση σωματιδίων τα οποία καθιζάνουν ως ζώνη δη-

μιουργώντας μια σαφή διεπιφάνεια μεταξύ του καθιζάνοντος πολφού και του διαυγασθέ-

ντος υγρού (Zone Settling). Τα σωματίδια διατηρούν τις μεταξύ τους αποστάσεις για αρ-

κετό διάστημα στην πορεία της καθίζησης τους προς τον πυθμένα της δεξαμενής.

47

Στις επόμενες παραγράφους θα εξετάσουμε λεπτομερώς τις μεθόδους σχεδιασμού των δεξα-

μενών καθίζησης για κάθε ένα τύπο ξεχωριστά.

5.2. ΚΑΘΙΖΗΣΗ ΔΙΑΚΡΙΤΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ (ΚΑΘΙΖΗΣΗ ΤΥΠΟΥ Ι)

5.2.1. ΣΥΝΟΠΤΙΚΟ ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ

Για την περίπτωση της καθίζησης των διακριτών σωματιδίων, αυτών δηλαδή που δια-

τηρούν το μέγεθος, το σχήμα και την πυκνότητά τους, ισχύουν τα ακόλουθα.

Όταν βρίσκονται σε ένα στάσιμο ρευστό, τα διακριτά σωματίδια επιταχύνονται μέχρι

η δύναμη τριβής να εξισωθεί με τη δύναμη βαρύτητας. Όταν οι δυνάμεις αυτές εξισωθούν,

τότε το σωματίδιο που καθιζάνει αποκτά ομοιόμορφη ταχύτητα καθίζησης, η οποία ονομά-

ζεται τελική ταχύτητα καθίζησης.

Η δύναμη που δρα στο σωματίδιο και το οδηγεί προς τα κάτω είναι η συνισταμένη της

δύναμης βάρους (που δρα προς τα κάτω) και της άνωσης (που δρα προς τα πάνω).

3

G p p p

dF ( )gV ( )g

6

(5.1)

όπου:

GF η δύναμη που κινεί το σωματίδιο προς τα κάτω (N)

p η πυκνότητα του σωματιδίου (kg/m3)

η πυκνότητα του ρευστού (kg/m3)

pV ο όγκος του σωματιδίου (=πd3/6) (m3)

d η διάμετρος του σωματιδίου (m2)

g η επιτάχυνση της βαρύτητας (m/s2)

Η δύναμη που εμποδίζει την κίνηση του σωματιδίου προς τα κάτω είναι η δύναμη της

οπισθέλκουσας, η οποία υπολογίζεται από τον τύπο:

2 2 2

D p s D sD

C A C dF

2 8

(5.2)

όπου:

DF η δύναμη της οπισθέλκουσας που εμποδίζει την κίνηση του σωματιδίου προς τα κάτω

(N)

48

DC ο συντελεστής τριβής, (ή συντελεστής οπισθέλκουσας), αδιάστατος αριθμός που σχετί-

ζεται με τον αριθμό Re

pA η επιφάνεια προβολής του σωματιδίου (=πd2/4) (m2)

η πυκνότητα του ρευστού,(kg/m3)

s η ταχύτητα καθίζησης του σωματιδίου (m/s)

Εξισώνοντας τις δύο δυνάμεις και λύνοντας ως προς την ταχύτητα καθίζησης έχουμε:

2 23

D sp

C dd( )g

6 8

(5.3)

p p ps

D p D

2( )gV ( )gd4

C A 3 C

(5.4)

Η σχέση (5.4) ονομάζεται νόμος του Νεύτωνα (Newton) για σφαιρικά σωματίδια. Ο

συντελεστής τριβής DC εξαρτάται από τον αριθμό Reynolds (Re) και το σχήμα των σωματι-

δίων (όπως φαίνεται στο Σχήμα 6).

Ο αριθμός Reynolds δίνεται από την εξίσωση:

d

Re

(5.5)

όπου:

η πυκνότητα του ρευστού (kg/m3)

το ιξώδες του ρευστού (kg/m s)

u η ταχύτητα του σωματιδίου (m/s)

d η διάμετρος του σωματιδίου (m)

Σχήμα 6. Σχέση του συντελεστή CD με τον αδιάστατο αριθμό Re για διαφορετικές μορ-φές σωματιδίων

49

Ο συντελεστής οπισθέλκουσας λαμβάνει διαφορετικές τιμές ανάλογα με το σχήμα των

σωματιδίων και τον τύπο της ροής (στρωτή - τυρβώδης, Σχήμα 6). Από το σχήμα μπορεί να

διακρίνει κανείς τρεις περιοχές οι οποίες μπορεί να προσεγγιστούν από ευθύγραμμα τμήμα-

τα. Οι περιοχές αυτές είναι (α) η περιοχή στρωτής ροής όπου ισχύει ο νόμος του Stokes, (β)

η ενδιάμεση περιοχή μεταξύ στρωτής και τυρβώδους ροής και (γ) η περιοχή τυρβώδους

ροής όπου ισχύει ο νόμος του Newton.

Για αριθμό Re<104, ισχύει γενικά η προσεγγιστική σχέση:

D

24 3C 0.34

Re Re (5.6)

Για Re < 0,3 (ή κατά άλλους μικρότερο από 2), ο πρώτος όρος της εξίσωσης (5.6) υ-

περισχύει, οπότε:

D

24 24C

Re d

(5.7)

Για την περιοχή της ενδιάμεσης ροής (Transitional Flow Regime – Intermediate Law

Region), δηλαδή για 2<Re<500, o συντελεστής CD μπορεί να προσεγγιστεί από τη σχέση:

D 0.6

18.5C

Re (5.8)

Για την περιοχή της τυρβώδους ροής (Turbulent Flow Regime – Newton’s Law Re-

gion), δηλαδή για 500<Re<200000, o συντελεστής CD μπορεί να προσεγγιστεί από τη σχέ-

ση:

DC 0.44 (5.9)

Αντικαθιστώντας την εξίσωση (5.7) στην (5.4) έχουμε για την περιοχή της στρωτής

ροής (Re<2):

2

ps

g( )d

18

(5.10)

Η σχέση (5.10) ονομάζεται νόμος του Stokes και εφαρμόζεται στην περίπτωση καθί-

ζησης διακριτών σφαιρικών σωματιδίων. Όπως φαίνεται από την εξίσωση (5.10), η ταχύτη-

τα καθίζησης είναι ανάλογη του τετραγώνου της διαμέτρου των σωματιδίων.

Αντίστοιχα, στην περιοχή της ενδιάμεσης ροής (2<Re<500), η ταχύτητα καθίζησης

των σωματιδίων προσεγγίζεται από τη σχέση:

50

0,43 0,715

p

s 0,285 0,43

0,78 d ( )u

(5.11)

Ενώ για την περιοχή της τυρβώδους ροής (500<Re<200000), η ταχύτητα καθίζησης

των σωματιδίων προσεγγίζεται από τη σχέση:

0,5

ps p

( )u 5,46 gd

(5.12)

Από την εξίσωση (5.10), μπορεί κανείς να υπολογίσει τη μέγιστη διάμετρο ενός σωμα-

τιδίου που καθιζάνει σύμφωνα με το νόμο του Stokes (δηλαδή περιοχή στρωτής ροής), θέ-

τοντας τον αριθμό Re ίσο με 2 (στην τιμή δηλαδή του άνω ορίου στην περιοχή της στρωτής

ροής). Με τον τρόπο αυτό οδηγούμαστε στην εξίσωση:

1/3 1/32 2

maxp p

d 3,3 1,56g ( ) ( )

(5.13)

Η ταχύτητα καθίζησης για μη σφαιρικά σωματίδια είναι μικρότερη από αυτή των α-

ντίστοιχων σφαιρικών σωματιδίων. Μια καλή προσέγγιση έχουμε με πολλαπλασιασμό της

ταχύτητας καθίζησης με ένα διορθωτικό παράγοντα που ονομάζεται παράγοντας σφαιρικό-

τητας ή παράγοντας σχήματος και συμβολίζεται με ψ. Η σφαιρικότητα ή παράγοντας σχή-

ματος ορίζεται ως το πηλίκο της επιφάνειας του σωματιδίου προς την επιφάνεια ενός σφαι-

ρικού σωματιδίου που έχει τον ίδιο όγκο.

p

sp

A

A (5.14)

όπου:

ΑP η εξωτερική επιφάνεια του ακανόνιστου σωματιδίου

Asp η εξωτερική επιφάνεια του σφαιρικού σωματιδίου

Οι τιμές του παράγοντα ψ είναι μικρότερες από 1 και θα πρέπει να υπολογιστούν πει-

ραματικά για τα υπό εξέταση σωματίδια. Τυπικές τιμές του παράγοντα ψ είναι: ψ=0,77 για

σωματίδια με σφαιρική μορφή, ψ=0,66 για σωματίδια με γωνίες και ψ=0,43 για σωματίδια

με τη μορφή νιφάδων.

Για το σχεδιασμό των δεξαμενών καθίζησης, η συνήθης πρακτική είναι να επιλέγεται

μια διάμετρος σωματιδίου με χαρακτηριστική ταχύτητα καθίζησης u0 και να σχεδιάζεται η

δεξαμενή με σκοπό όλα τα σωματίδια που έχουν ταχύτητα καθίζησης μεγαλύτερη ή ίση με

51

u0 να απομακρύνονται. Σωματίδια με ταχύτητα καθίζησης μικρότερη της ταχύτητας u0 απο-

μακρύνονται εν μέρει.

Όπως φαίνεται στο Σχήμα 7, σωματίδια με ταχύτητα καθίζησης us<u0, απομακρύνο-

νται μόνο αν εισέλθουν στη ζώνη εισόδου από ύψος μικρότερο του h. Σωματίδια που εισέρ-

χονται από ύψος μεγαλύτερο του h δεν προλαβαίνουν να φτάσουν στον πυθμένα και να α-

πομακρυνθούν πριν φθάσουν στη ζώνη εξόδου (Σχήμα 7).

Q Q

Ζώνη

εισόδου

Ζώνη

εξόδου

H

Ζώνη συλλογής σωματιδίων

u

u0

u

u

us

h

Ζώνη καθίζησης

L

W

Σχήμα 7. Τροχιές καθίζησης διακριτών σωματιδίων σε δεξαμενή καθίζησης οριζόντιας

ροής

Η οριζόντια συνιστώσα της ταχύτητας του ρευστού και των σωματιδίων δίνεται από

τη φόρτιση της δεξαμενής και υπολογίζεται από τη σχέση:

Q Q

uA H W

(5.15)

όπου:

u η ταχύτητα φόρτισης της δεξαμενής (m3/m2 s)

Q η παροχή του ρευστού (m3/s)

A η διατομή της δεξαμενής (m2)

H το ύψος της δεξαμενής (m)

W το πλάτος της δεξαμενής (m)

Ο χρόνος που απαιτείται για ένα σωματίδιο να φθάσει στην έξοδο της δεξαμενής δίνε-

ται από τη σχέση:

0

Lt

u (5.16)

όπου:

52

t0 o χρόνος που απαιτείται για τα σωματίδια για να φθάσουν στην έξοδο της δεξαμενής ή,

διαφορετικά, ο χρόνος παραμονής των σωματιδίων μέσα στη δεξαμενή (s)

L το μήκος της δεξαμενής (m)

u η οριζόντια συνιστώσα της ταχύτητας των σωματιδίων ίση με την ταχύτητα φόρτισης

της δεξαμενής (m3/m2 s)

Όπως φαίνεται από τη γεωμετρία του συστήματος (Σχήμα 7), το κλάσμα των σωματιδίων

που απομακρύνονται και έχουν ταχύτητα us, δίνεται από τη σχέση:

s s 0x

0 0 0

u u t hF

u u t H (5.17)

Η ταχύτητα u0 σχετίζεται με την ογκομετρική παροχή της δεξαμενής και την επιφάνειά της

σύμφωνα με τη σχέση:

00

H Hu Hu W Qu

t L L W A (5.18)

και, επομένως, το κλάσμα των σωματιδίων με ταχύτητα καθίζησης us που απομακρύνονται

από μια ιδανική δεξαμενή καθίζησης δίνεται από τη σχέση:

s sx

0

u uF

u Q / A (5.19)

Παρόμοια σχέση μπορεί να εφαρμοστεί για κυλινδρικές δεξαμενές καθίζησης.

Q

u2 rH

(5.20)

Καθώς η ταχύτητα u μειώνεται με την αύξηση της ακτίνας (καθώς δηλαδή τα σωματί-

δια κινούνται προς την περιφέρεια της δεξαμενής), ενώ η ταχύτητα καθίζησης των σωματι-

δίων παραμένει σταθερή, η τροχιά που διαγράφουν τα σωματίδια είναι παραβολική και όχι

ευθύγραμμη, όπως στην περίπτωση της δεξαμενής με ορθογωνική διατομή.

Η κλίση της τροχιάς των σωματιδίων σε οποιαδήποτε ακτίνα δίνεται από τη σχέση:

s s s sdh u u u 2 rHu

dr u Q / A Q / 2 rH Q

(5.21)

Ολοκληρώνοντας μεταξύ της εσωτερικής ακτίνας Rt και της εξωτερικής R0, το κλά-

σμα των σωματιδίων που απομακρύνεται δίνεται από τη σχέση:

2 2s sx 0 t

h u uF ( R R )

H Q Q / A (5.22)

53

Έτσι, η κλασματική απομάκρυνση των σωματιδίων στην περίπτωση των κυλινδρικών

δεξαμενών εξαρτάται από την ταχύτητα καθίζησης, την ογκομετρική παροχή και την επιφά-

νεια της δεξαμενής.

Το μέγεθος Q/A ονομάζεται ρυθμός υπερχείλισης ή επιφανειακή φόρτιση της δεξαμε-

νής καθίζησης.

Το κλάσμα απομάκρυνσης των σωματιδίων είναι ανεξάρτητο του βάθους (ύψους) της

δεξαμενής. Για παράδειγμα, αν το ύψος μιας ορθογωνικής δεξαμενής ήταν το μισό (H/2) του

αρχικού για την ίδια ογκομετρική παροχή Q, η συνιστώσα της οριζόντιας ταχύτητας θα δι-

πλασιαζόταν. Επειδή, όμως, το ύψος της δεξαμενής υποδιπλασιάζεται, τελικά όλα τα σωμα-

τίδια με ταχύτητα καθίζησης u0 και μεγαλύτερη θα απομακρύνονται. Το κλάσμα των σωμα-

τιδίων που απομακρύνονται με ταχύτητα καθίζησης us δίνεται από τη σχέση:

s sx

0

h / 2 u uF

H / 2 u Q / A (5.23)

Ο συνολικός συντελεστής απόδοσης μιας ιδανικής δεξαμενής καθίζησης μπορεί να

υπολογιστεί από την κατανομή του μεγέθους των σωματιδίων σε συνάρτηση με την ταχύτη-

τα καθίζησής τους. Στο Σχήμα 8 το κλάσμα f στον κατακόρυφο άξονα εκφράζει το κλάσμα

των σωματιδίων που έχουν ταχύτητα καθίζησης μικρότερη από την ταχύτητα καθίζησης που

αντιστοιχεί στον οριζόντιο άξονα. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, όλα τα σωματίδια με

ταχύτητα μεγαλύτερη της u0 απομακρύνονται πλήρως. Στην καμπύλη της αθροιστικής κατα-

νομής, η τιμή f0 αντιστοιχεί στο κλάσμα των σωματιδίων που έχουν ταχύτητα καθίζησης

μικρότερη ή ίση με u0 (≤u0). Άρα, στο σύνολο των σωματιδίων, το κλάσμα που απομακρύ-

νεται πλήρως είναι 1-f0. Για κάθε σωματίδιο με ταχύτητα καθίζησης μικρότερη της u0, η ε-

ξίσωση (5.17), δείχνει ότι αυτό απομακρύνεται σε ποσοστό (κλάσμα) ίσο με us/u0. Για να

υπολογιστεί το ποσοστό απομάκρυνσης των σωματιδίων με ταχύτητα καθίζησης μικρότερο

της u0, θα πρέπει να γίνει ολοκλήρωση της καμπύλης αθροιστικής κατανομής από την τιμή

f=0 μέχρι την τιμή f=f0. Δηλαδή, θα πρέπει να υπολογιστεί το ολοκλήρωμα:

0f

s

00

udf

u (5.24)

Ο συνολικός συντελεστής απομάκρυνσης των σωματιδίων με ταχύτητα καθίζησης με-

γαλύτερη και μικρότερη της u0 δίνεται από τη σχέση (το u0 είναι σταθερό και μπορεί να βγει

εκτός του ολοκληρώματος):

54

0f

s00

1F (1 f ) u df

u (5.25)

5.3. ΑΣΚΗΣΗ

Ένα αιώρημα σωματιδίων αφήνεται να καθιζήσει σε μια στήλη σε κατάσταση ηρεμίας.

Το σημείο δειγματοληψίας απέχει από την επιφάνεια του ρευστού 1,5 m. Δείγματα συλλέ-

γονται ανά τακτικά χρονικά διαστήματα και σε αυτά προσδιορίζεται η συγκέντρωση των

αιωρούμενων στερεών. Στον πίνακα που ακολουθεί δίνεται το κλάσμα βάρους των σωματι-

δίων που παραμένουν σε αιώρηση μετά από κάθε χρονικό διάστημα.

Χρόνος καθίζησης (min)

Κλάσμα βάρους σωματιδίων που απομένει σε αιώρηση

5 0,96

10 0,81

15 0,62

20 0,46

30 0,23

60 0,06

Να υπολογίσετε το συντελεστή συνολικής απομάκρυνσης των σωματιδίων από μία ιδανική

ορθογωνική δεξαμενή αν ο ρυθμός υπερχείλισης του αποβλήτου είναι 1,36 l / m2 sec.

Απάντηση

Από τα στοιχεία του πίνακα υπολογίζουμε τις ταχύτητες καθίζησης που αντιστοιχούν στους

δεδομένους χρόνους δειγματοληψίας. Για παράδειγμα,

3l 1,5mu 1,67 10 m / sec

t 15min*60sec/ min

Χρόνος καθίζησης (min)

Χρόνος καθίζησης (sec)

Ταχύτητα καθίζησης (m/sec)

Κλάσμα βάρους σωματιδίων που απομένει σε αιώρηση

5 300 5,00 x 10-3 0,96

10 600 2,50 x 10-3 0,81

15 900 1,67 x 10-3 0,62

20 1200 1,25 x 10-3 0,46

30 1800 8,33 x 10-4 0,23

60 3600 4,17 x 10-4 0,06

Σχεδιάζουμε την καμπύλη κατανομής του κλάσματος βάρους που απομένει σε σχέση με την

ταχύτητα καθίζησης των σωματιδίων.

55

0.000 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.0060.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

fΚλάσμα

σωματιδίων με

μικρότερη ταχύτητα

καθίζησης

Ταχύτητα καθίζησης (m/sec)

Σχήμα 8. Καμπύλη αθροιστική κατανομής για τις ταχύτητες καθίζησης των σωματιδί-ων

Ο ρυθμός φόρτισης ή υπερχείλισης δίνεται από τη σχέση:

33

0 2

Q 1,36 l 1mu * 1,36 10 m / sec

A m sec 1000l

Από το σχήμα φαίνεται ότι στην τιμή της ταχύτητας u0 (1,36*10-3 m/sec) αντιστοιχεί κλά-

σμα βάρους σωματιδίων 0,49 (ή 49%).

0.000 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.0060.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

u0

Κλάσμα

σωματιδίων με

μικρότερη ταχύτητα

καθίζησης

Ταχύτητα καθίζησης (m/sec)

56

Άρα, το κλάσμα βάρους των σωματιδίων που απομακρύνονται και έχουν μέγεθος σω-

ματιδίων που δίνει ταχύτητα καθίζησης μεγαλύτερη ή ίση του 1,36*10-3 m/sec είναι 1-

0,49=0,51 (ή 51%).

Μέρος των σωματιδίων με ταχύτητα καθίζησης μικρότερη της τιμής 1,36*10-3 m/sec

απομακρύνεται επίσης και αυτό υπολογίζεται από το ολοκλήρωμα της καμπύλης με γραφικό

τρόπο.

0,49

s0 0

1u df 0,30

u

και, επομένως, η συνολική απόδοση στην απομάκρυνση των σωματιδίων είναι:

Ολική απόδοση απομάκρυνσης των σωματιδίων = 0,51 + 0,30 = 0,81

57

5.4. ΠΡΩΤΟΒΑΘΜΙΑ ΚΑΘΙΖΗΣΗ – ΚΑΘΙΖΗΣΗ ΤΥΠΟΥ ΙΙ

5.4.1. ΣΥΝΟΠΤΙΚΟ ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ

Πολλά σωματίδια τείνουν να συσσωματώνονται καθώς καθιζάνουν, με αποτέλεσμα να

σχηματίζονται μεγαλύτερα σωματίδια διαφορετικού μεγέθους, σχήματος και βάρους. Καθώς

τα σωματίδια συσσωματώνονται καθιζάνουν με μεγαλύτερη ταχύτητα (σύμφωνα με το νόμο

του Stokes). Καθώς τα σωματίδια αυξάνουν σε μέγεθος, έχουν ολοένα και μεγαλύτερη τα-

χύτητα καθίζησης και, έτσι, η τροχιά που διανύουν μέσα στη δεξαμενή καθίζησης είναι κα-

μπύλη και όχι ευθεία, όπως στην περίπτωση της καθίζησης τύπου Ι. Η συνολική διεργασία

καθίζησης επηρεάζεται από τα χαρακτηριστικά συσσωμάτωσης και καθίζησης των σωματι-

δίων.

Ο ρυθμός με τον οποίο τα σωματίδια συσσωματώνονται σχετίζεται με τη συχνότητα

σύγκρουσης των σωματιδίων. Σε έναν κύλινδρο με στάσιμο ρευστό (ρευστό σε ηρεμία) ή σε

μια ιδανική δεξαμενή καθίζησης, οι συγκρούσεις μεταξύ των σωματιδίων είναι αποτέλεσμα

της επαφής των βαρύτερων σωματιδίων με τα ελαφρότερα καθώς αυτά "τα προσπερνούν",

προχωρώντας προς τον πυθμένα της δεξαμενής. Η συχνότητα σύγκρουσης είναι ανάλογη

της συγκέντρωσης των σωματιδίων και της διαφοράς τους στις ταχύτητες καθίζησης. Καθώς

ο συνολικός αριθμός των συγκρούσεων αυξάνει με το χρόνο, ο ρυθμός συσσωμάτωσης ε-

ξαρτάται επίσης από το χρόνο παραμονής των σωματιδίων μέσα στη δεξαμενή. Η επίδραση

της συσσωμάτωσης στο ρυθμό καθίζησης είναι περισσότερο φανερή στην περιοχή του πυθ-

μένα της δεξαμενής καθώς περνά ο χρόνος. Η απομάκρυνση των σωματιδίων είναι συνάρ-

τηση του χρόνου παραμονής και του ρυθμού υπερχείλισης (φόρτισης) της δεξαμενής. Αντί-

θετα, η απομάκρυνση των διακριτών σωματιδίων (καθίζηση τύπου Ι) εξαρτάται μόνο από το

ρυθμό υπερχείλισης της δεξαμενής.

Ο ρυθμός συσσωμάτωσης δεν μπορεί να προβλεφθεί μόνο από την ταχύτητα σύ-

γκρουσης των σωματιδίων. Η συνένωση των σωματιδίων εξαρτάται από πολλούς παράγο-

ντες, όπως η φύση της επιφάνειάς τους, η παρουσία φορτίων, το σχήμα και η πυκνότητά

τους. Μέχρι σήμερα δεν υπάρχει κατάλληλο θεωρητικό πρότυπο που να προβλέπει το ρυθμό

συσσωμάτωσης των σωματιδίων σε ένα αιώρημα.

Ο σχεδιασμός των δεξαμενών καθίζησης βασίζεται σε πειράματα καθίζησης σε εργα-

στηριακές στήλες διαμέτρου τουλάχιστον 13 cm για να αποφεύγονται φαινόμενα αλληλεπί-

δρασης με τα τοιχώματα της στήλης (wall effect). Το ύψος των στηλών είναι ίσο με το βά-

58

θος της προς σχεδιασμό δεξαμενής πρωτοβάθμιας καθίζησης (συνήθως 3m). Κατά τακτά

χρονικά διαστήματα, λαμβάνονται δείγματα από διαφορετικά ύψη της στήλης (συνήθως ανά

60cm) και προσδιορίζεται η συγκέντρωση των στερεών.

Αν η αρχική συγκέντρωση των στερεών στο δείγμα είναι C0 και η μετρούμενη συγκέ-

ντρωση των στερεών σε ένα ύψος μετά από χρόνο t είναι C, τότε η ποσοστιαία απομάκρυν-

ση δίνεται από τη σχέση:

0

0

C C100%

C

(5.26)

Από τα αποτελέσματα που συλλέγονται, σχεδιάζονται ομαλές καμπύλες ίδιας απομά-

κρυνσης στερεών (Σχήμα 9 και Σχήμα 10). Για δεδομένο ύψος (βάθος) και χρόνο παραμο-

νής, η τιμή που λαμβάνουμε από το διάγραμμα αντιπροσωπεύει την εκατοστιαία απομά-

κρυνση των στερεών σε μία ιδανική δεξαμενή καθίζησης. Σωματίδια με χαμηλότερη ταχύ-

τητα καθίζησης απομακρύνονται εν μέρει όπως φαίνεται και υπολογιστικά από το ακόλουθο

παράδειγμα.

Σχήμα 9. Στήλη καθίζησης και καμπύλες καθίζησης

n n n 1

5

1 1 2 2 2 3 3 3 4 4 4 5

5 5 5 5

h R R% ά ώ

h 2

h R R h R R h R R h R R

h 2 h 2 h 2 h 2

(5.27)

59

5.5. ΑΣΚΗΣΗ

Ένα αιώρημα σωματιδίων τοποθετείται σε μία στήλη δοκιμής καθίζησης και τα σωμα-

τίδια αφήνονται να καθιζήσουν σε συνθήκες ηρεμίας. Δείγματα απομακρύνονται περιοδικά

από διαφορετικά ύψη της στήλης. Από τα δείγματα που συλλέγονται υπολογίζεται η εκατο-

στιαία απομάκρυνση των σωματιδίων στο κάθε δείγμα. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται

στον ακόλουθο πίνακα.

Χρόνος καθίζησης (min)

% απομάκρυνση των σωματιδίων

Ύψος δειγματοληψίας

0,6 m 1,2 m 1,8 m

10 22 14 12

20 37 29 26

30 49 38 36

40 58 49 43

60 71 60 55

80 74 68 63

Υπολογίστε την εκατοστιαία απομάκρυνση των στερεών σε μια ιδανική δεξαμενή καθίζησης

βάθους 1,8 m αν το ρευστό έχει χρόνο παραμονής 50 min.

Απάντηση

Η ποσοστιαία απομάκρυνση των στερεών σχεδιάζεται σε διάγραμμα, όπως φαίνεται

στο Σχήμα 10. Οι καμπύλες σταθερής ποσοστιαίας απομάκρυνσης σχεδιάζονται με παρεμ-

βολή μεταξύ των πειραματικών σημείων. Οι καμπύλες αυτές ιχνοθετούν τη μέγιστη τροχιά

καθίζησης για την κάθε ποσοστιαία αναλογία απομάκρυνσης των στερεών. Για παράδειγμα,

η καμπύλη ποσοστιαίας απομάκρυνσης 60% δείχνει ότι το 60% των σωματιδίων έχουν τρο-

χιά καθίζησης η οποία τους οδηγεί σε βάθη ίσα ή και χαμηλότερα από το βάθος που φαίνε-

ται σε κάθε χρονική στιγμή.

Για κάθε ιδανική δεξαμενή καθίζησης η οποία έχει το επιθυμητό βάθος και χρόνο πα-

ραμονής που συμπίπτει με την καμπύλη απομάκρυνσης στερεών 60%, το 60% των στερεών

έχουν ταχύτητα καθίζησης ίση ή και μεγαλύτερη από την ταχύτητα u0 και απομακρύνονται

πλήρως.

Για το βάθος των 1,8 m και για χρόνο 50 min η ταχύτητα καθίζησης των σωματιδίων

υπολογίζεται από τη σχέση:

0

1,8mu 0,037 m / min

50min (5.28)

60

Σχήμα 10. Εκατοστιαία απομάκρυνση σωματιδίων που καθιζάνουν ως συσσωματώμα-τα (καθίζηση τύπου ΙΙ) σε συνάρτηση με το βάθος της στήλης και το χρόνο

Έτσι, το σημείο Α στο Σχήμα 10 δείχνει ότι το 50% των στερεών θα φθάσει σε βάθος

1,8 m σε 50 min ή και λιγότερο και θα απομακρυνθεί πλήρως. Σωματίδια με ταχύτητα καθί-

ζησης μικρότερη από u0 θα απομακρυνθούν μόνο εν μέρει στο χρόνο των 50 min. Αν τα

σωματίδια με ταχύτητα καθίζησης u φθάσουν σε βάθος h σε χρόνο 50 min, τότε το κλάσμα

που θα έχει απομακρυνθεί θα είναι:

0

u h / 50 h

u 1,8 / 50 1,8 (5.29)

Για χρόνο καθίζησης 50 min όπως φαίνεται από το Σχήμα 10, το 50% των σωματιδίων

καθιζάνουν στο βάθος των 1,8 m (Σημείο Α) και το 60% έχει απομακρυνθεί από βάθος 0,78

m (Σημείο B). Το μέσο βάθος καθίζησης για τα σωματίδια στην περιοχή του 50-60% είναι

(1,8 + 0,758)/2 = 1,29 m.

Άρα, η ποσοστιαία απομάκρυνση των σωματιδίων στην περιοχή 50%-60% είναι:

1, 29

% ά ή 50% 60% (60 50) 7,2%1,8

(5.30)

Για το εύρος απομάκρυνσης 60 έως 70%, το 60% απομακρύνεται από βάθος 0,78 m

ενώ τo 70% καθιζάνει σε βάθος 0,42 m (Σημείο C), με μέσο βάθος καθίζησης (0,78 +

0,42)/2 = 0,6 m.

0,6

% ά ή 60% 70% (70 60) 3,3%1,8

(5.31)

Ομοίως, θα υπάρχει μια στην περιοχή 70-100% που υπολογίζεται αντίστοιχα περίπου

1,5%.

61

Η συνολική απομάκρυνση είναι το άθροισμα των επί μέρους ποσοστών απομάκρυνσης

για το χρόνο των 50 min.

Συνολική απομάκρυνση ≈ 50 + 7,2 + 3,3 + 1,5 = 62%

Προκειμένου να συνεκτιμηθούν οι συνθήκες που συμβάλλουν στην απόκλιση από τις

ιδανικές συνθήκες καθίζησης, οι χρόνοι παραμονής πολλαπλασιάζονται με έναν παράγοντα

ασφάλειας 1,25 έως 1,5.

Η παραπάνω διαδικασία επαναλαμβάνεται για διαφορετικούς χρόνους παραμονής, για

τους οποίους υπολογίζεται επίσης το ποσοστό απομάκρυνσης των στερεών. Από τα στοιχεία

αυτά κατασκευάζεται διάγραμμα χρόνου παραμονής – ποσοστού απομάκρυνσης που έχει τη

μορφή του ακόλουθου σχήματος.

Χρόνος Παραμονής

Ποσοστό

απομάκρυνσης

σωματιδίων

(% R

)

Η5

Η1

Η2

Η3

Η4

Σχήμα 11. Διάγραμμα % απομάκρυνσης – χρόνου παραμονής

Αντιστοίχως, κατασκευάζεται διάγραμμα ποσοστού απομάκρυνσης – επιφανειακής

φόρτισης το οποίο έχει τη μορφή του ακόλουθου σχήματος:

Ρυθμός υπερχείλισης (Q/A)

Ποσοστό

απομάκρυνσηςσωματιδίων (

% R

)

Η5

Η1

Η2

Η3

Η4

Σχήμα 12. Διάγραμμα % απομάκρυνσης – επιφανειακής φόρτισης (ρυθμού υπερχείλι-σης)

62

Από τα δυο παραπάνω διαγράμματα μπορούμε να υπολογίσουμε, για δεδομένο ποσο-

στό απομάκρυνσης, το χρόνο παραμονής του ρευστού μέσα στη δεξαμενή καθίζησης καθώς

και τη μέγιστη επιφανειακή φόρτιση και, άρα, να υπολογίσουμε την ελάχιστη απαιτούμενη

επιφάνεια της δεξαμενής καθίζησης.

Βοηθητικά μπορούμε επίσης να κατασκευάσουμε τα ακόλουθα διαγράμματα (Σχήμα

13 και Σχήμα 14).

Βαθός (Η)

Ποσοστό

απομάκρυνσης

σωματιδίων (

% R

)

t=2 h

t=10 mint=20 min

t=40 min

t=80 min

Σχήμα 13. Διάγραμμα % απομάκρυνσης – βάθους δεξαμενής

Ρυθμόςυπερχείλισης

(Q/A

)

Χρόνος

R=25%

R=35%

R=30%

R=40%

R=45%

Σχήμα 14. Διάγραμμα ρυθμού υπερχείλισης – χρόνου παραμονής με παράμετρο την % απομάκρυνση των στερεών

63

5.6. ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΔΕΞΑΜΕΝΩΝ ΚΑΘΙΖΗΣΗΣ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ

ΙΛΥΟΣ ΑΠΟ ΔΕΞΑΜΕΝΕΣ ΕΝΕΡΓΟΥ ΙΛΥΟΣ – ΠΑΧΥΝΣΗ ΜΕΣΩ ΒΑΡΥ-

ΤΗΤΑΣ (GRAVITY THICKENING)

Ο κύριος τρόπος για να επιτευχθεί ο διαχωρισμός στερεού / υγρού από μονάδες ενερ-

γού ιλύος είναι η καθίζηση της βιομάζας που συσσωματώνεται με φυσικό τρόπο. Μια σω-

στά σχεδιασμένη δεξαμενή καθίζησης, ή διαφορετικά δεξαμενή διαύγασης, ενισχύει τη

συσσωμάτωση της βιομάζας και δημιουργεί συνθήκες ηρεμίας. Υπό αυτές τις συνθήκες, το

ρευστό που υπερχειλίζει είναι διαυγές και έχει χαμηλή συγκέντρωση αιωρούμενων στερεών,

ενώ απομακρύνεται σχεδόν το 100% των στερεών υλικών. Εξίσου σημαντική είναι η πάχυν-

ση της λάσπης, που θα πρέπει επίσης να εξασφαλίζεται.

Προκειμένου να επιτευχθούν οι τρεις αυτές απαιτήσεις (δηλαδή διαύγαση του ρευ-

στού, 100% απομάκρυνση των στερεών και πάχυνση της λάσπης), θα πρέπει να εφαρμο-

στούν αρχές από τη φυσική των σωματιδίων / στερεών για την καθίζηση και πάχυνση της

λάσπης. Η θεωρία αυτή ονομάζεται θεωρία της ροής (flux theory) και η προσαρμογή της

στην καθίζηση της ενεργού ιλύος ονομάζεται state-point approach.

Στις ακόλουθες παραγράφους περιγράφονται τα φυσικά / χημικά χαρακτηριστικά των

στερεών που προέρχονται από μονάδες ενεργού ιλύος.

5.6.1. Ιδιότητες βιολογικής λάσπης (ιλύος) από μονάδες ενεργού ιλύος

Τα αιωρούμενα στερεά σε μία μονάδα ενεργού ιλύος αποτελούνται στην πλειοψηφία

τους από βακτήρια, τα οποία περιέχουν 70-80% νερό εντός των κυττάρων τους. Επιπλέον,

καθώς τα κύτταρα ενώνονται για να δημιουργήσουν συσσωματώματα, εγκλωβίζουν στους

σχηματισμούς αυτούς σημαντική ποσότητα νερού. Ως αποτέλεσμα, τα συσσωματώματα αυ-

τά είναι ελαφρώς βαρύτερα από το νερό που τα περιβάλλει. Η διαφορά στην πυκνότητά τους

είναι μόνο 0,0015 g/cm3. Αυτό σημαίνει ότι, προκειμένου να καθιζήσουν τα συσσωματώμα-

τα, θα πρέπει να φθάσουν σε ένα κρίσιμο μέγεθος που θα τους επιτρέπει να αποκτήσουν μια

ικανοποιητική ταχύτητα καθίζησης.

Για παράδειγμα, σύμφωνα με το νόμο του Stokes, για τις συνθήκες στρωτής ροής η

τελική ταχύτητα καθίζησης δίνει από τη σχέση (us, m/d),

2

s

g du 86400s / d

18

(5.32)

όπου

64

g η επιτάχυνση της βαρύτητας (9,8 m/s2)

Δρ η διαφορά της πυκνότητας στερεού – ρευστού (g/cm3)

d η διάμετρος των σωματιδίων (cm)

μ το δυναμικό ιξώδες (g/cm s)

Για θερμοκρασία 20°C και Δρ 0,0015 g/cm3, για ταχύτητα καθίζησης 12 m/d (τυπική

τιμή για χαμηλούς ρυθμούς υπερχείλισης) απαιτείται διάμετρος σωματιδίων d = 0,04cm =

0,4 mm. Για υψηλότερες ταχύτητες υπερχείλισης, π.χ. 70 m/s, απαιτείται διάμετρος σωματι-

δίων d = 0,1 cm = 1 mm.

Η ταχύτητα καθίζησης των στερεών εξαρτάται από τις φυσικοχημικές ιδιότητες και τη

συγκέντρωση των στερεών, Χ. Η σχέση αυτή συνήθως περιγράφεται με μια εμπειρική εξί-

σωση της μορφής:

X0u u 10 (5.33)

όπου

u είναι η ταχύτητα καθίζησης των σωματιδίων (m/d)

0u η μέγιστη ταχύτητα καθίζησης (m/d)

ο συντελεστής συσσωμάτωσης της ιλύος (compaction coefficient)

Χ η συνολική συγκέντρωση των στερεών (kg/m3=g/l)

Σχήμα 15. Τυπική καμπύλη μείωσης της ταχύτητας καθίζησης των σωματιδίων με αύ-ξηση της συγκέντρωσης. Η καμπύλη αντιστοιχεί στις τιμές των παραμέτρων u0=152 m/d, λ=0,15 m3/kg

65

Το Σχήμα 15 παρουσιάζει μια τυπική καμπύλη ταχύτητας καθίζησης. Παρόλο που τα

στερεά της ιλύος καθιζάνουν με τη μέγιστη ταχύτητα καθίζησης για χαμηλές τιμές της συ-

γκέντρωσης Χ, η ταχύτητα καθίζησης μειώνεται γρήγορα καθώς αυξάνει η συγκέντρωση

των στερεών και η αλληλεπίδραση των σωματιδίων μεταξύ τους. Στην περιοχή αυτή, η ο-

ποία ονομάζεται περιοχή παρεμποδιζόμενης καθίζησης (hindered settling), τα σωματίδια

βρίσκονται αρκετά κοντά το ένα με το άλλο με αποτέλεσμα να δυσκολεύεται η κίνησή τους

προς τα κάτω και να παρεμποδίζεται η ροή του νερού προς τα πάνω. Τα φαινόμενα παρε-

μπόδισης είναι περισσότερο έντονα καθώς αυξάνει η συγκέντρωση των στερεών X, προκα-

λώντας σταδιακή μείωση της ταχύτητας καθίζησης.

Για την περίπτωση του παραπάνω σχήματος, όταν η συγκέντρωση των στερεών γίνει

αρκετά μεγάλη, π.χ. 10 kg/m3, η ιλύς εισέρχεται στην περιοχή της καθίζησης που ελέγχεται

από τη συμπίεση των στερεών (compression-controlled settling). Στην περιοχή αυτή, τα σω-

ματίδια είναι τόσο κοντά το ένα με το άλλο, οπότε τα υποκείμενα στρώματα υποστηρίζουν

το βάρος των υπερκείμενων στρωμάτων. Στην κατάσταση αυτή, για περαιτέρω καθίζηση

πρέπει το βάρος των υπερκείμενων στρωμάτων να εκδιώξει το υγρό από τους πόρους των

υποκείμενων στρωμάτων των στερεών. Αυτό το φαινόμενο της συμπίεσης των υποκείμενων

στρωμάτων επιβραδύνει σημαντικά την ταχύτητα καθίζησης, η οποία ασυμπτωτικά προσεγ-

γίζει το μηδέν σε υψηλές συγκεντρώσεις στερεών Χ.

Ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες που επιδρούν στην ταχύτητα καθίζησης

των στερεών της ενεργού ιλύος, επιβραδύνοντάς την, είναι η παρουσία νηματοειδών βακτη-

ρίων. Η υφή των μικροοργανισμών αυτών προκαλεί σημαντική αλληλεπίδραση μεταξύ των

σωματιδίων με αποτέλεσμα να παρεμποδίζεται η καθίζηση των στερεών.

5.6.2. Κριτήρια σχεδιασμού δεξαμενών καθίζησης ενεργού ιλύος

Τα κριτήρια σχεδιασμού των δεξαμενών καθίζησης ενεργού ιλύος βασίζονται στη θε-

ωρία της ροής (flux theory) και στην τεχνική της σημειακής ανάλυσης κατάστασης (state

point analysis). Το Σχήμα 16 παρουσιάζει σχηματικά τις παραμέτρους σχεδιασμού για μια

κυλινδρική δεξαμενή καθίζησης ενεργού ιλύος.

66

Σχήμα 16. Σχηματική παράσταση δεξαμενής καθίζησης ενεργού ιλύος

Σημαντική παράμετρος του σχεδιασμού είναι ο ρυθμός (ταχύτητα) υπερχείλισης της

δεξαμενής καθίζησης, παράμετρος που εξασφαλίζει ότι η συγκέντρωση των στερεών στην

υπερχείλιση θα παραμείνει σταθερά σε χαμηλή τιμή. Ο ρυθμός υπερχείλισης ορίζεται από τη

σχέση:

e wQ (Q Q )

A A

(5.34)

όπου:

Α η επιφάνεια της κυλινδρικής δεξαμενής (L2)

Qe η ογκομετρική παροχή εξόδου της δεξαμενής καθίζησης (L3T-1)

Q η ογκομετρική παροχή της νέας τροφοδοσίας (L3T-1)

Qw η ογκομετρική παροχή του ρεύματος της ιλύος (L3T-1)

Το ρεύμα της ανακυκλοφορίας Qr το οποίο δεν εξέρχεται από τη δεξαμενή καθίζησης

με τη ροή εξόδου δεν συμπεριλαμβάνεται στον υπολογισμό της ταχύτητας υπερχείλισης.

Υπό φυσιολογικές συνθήκες, ο ρυθμός υπερχείλισης της δεξαμενής καθίζησης θα πρέ-

πει να είναι μικρότερος από την ταχύτητα καθίζησης των σωματιδίων προκειμένου να εξα-

σφαλίζεται ικανοποιητική απομάκρυνση των αιωρούμενων σωματιδίων.

d= ∆ιάμετρος δεξαμενής

Είσοδος

'Εξοδος

Επιφάνεια =d2π/4

Υπορόη

Ροή=Qu=Qw+Qr

Συγκέντρωση=Χu=Xr

Ροή=Q+Qr

Ροή=Qr

Ανακυκλοφορία

Ροή=Qw

Συγκέντρωση=Χu=Xr

Συγκέντρωση=Χu=Xr

Qr

Q

Ταχύτητα=v=Qu/A

Συγκέντρωση=Χin

Ροή στερεών =Gu=XuQu/A

Ροή στερεών =GT

Ροή=Qe=Q-Qw

Συγκέντρωση=Χe

Ρυθμός

υπερχείλησης=Qe/A

dw= ∆ιάμετρος καναλιού υπερχείλισης

67

Το δεύτερο κριτήριο σχεδιασμού είναι η ροή εισόδου των στερεών (input solid flux)

GT (ML-2T-1) στη δεξαμενή καθίζησης, η οποία ορίζεται από τη σχέση:

r in

T

(Q Q )XG

A

(5.35)

όπου:

Χin είναι η συγκέντρωση των αιωρούμενων στερεών στην είσοδο της δεξαμενής καθίζησης

στο ρεύμα με παροχή Q+Qr.

Γενικά, η αύξηση της τιμής της παραμέτρου GT που προκαλείται από αύξηση του

ρυθμού ανακυκλοφορίας Qr μειώνει τη συγκέντρωση των στερεών στο ρεύμα της υπορροής

Χu. Στην περίπτωση όπου η αύξηση αυτή προκαλείται από αύξηση της τιμής του Q ή του

Χin, μπορεί να προκληθεί αύξηση ή μείωση της τιμής του Χu κατά περίπτωση. Για το λόγο

αυτό, απαιτείται λεπτομερής ανάλυση μέσω της τεχνικής της σημειακής ανάλυσης κατά-

στασης (state point analysis) για τον τρόπο που οι μεταβολές της παραμέτρου GT επιδρούν

στην τιμή της συγκέντρωσης των στερεών Χu. Υπερβολικά υψηλές τιμές της παραμέτρου GT

αυξάνουν σημαντικά την πιθανότητα να αποτύχει η πάχυνση και η διαύγαση στη δεξαμενή

εξαιτίας της σημαντικής απομάκρυνσης στερεών από την υπερχείλιση, όταν το στρώμα της

ιλύος ανέλθει υψηλά στο ύψος των υπερχειλιστών.

Αν και οι τιμές της παραμέτρου GT από μόνες τους δεν δίνουν αξιόπιστες πληροφορίες

για την ομαλή λειτουργία της δεξαμενής, η εμπειρία αποδίδει ένα εύρος τιμών το οποίο έχει

βρεθεί ότι εξασφαλίζει ικανοποιητικά αποτελέσματα λειτουργίας. Έτσι, για συμβατικά συ-

στήματα, οι προτεινόμενες τιμές GT κυμαίνονται στην περιοχή από 70 έως 140 kg/m2d.

Το τρίτο κριτήριο σχεδιασμού των δεξαμενών καθίζησης είναι το κριτήριο φόρτισης

του υπερχειλιστή (weir loading), το οποίο ορίζεται από τη σχέση:

e

w

QWL

d

(5.36)

όπου

WL η φόρτιση του υπερχειλιστή (L2Τ-1)

dw η διάμετρος του υπερχειλιστή (L)

Το κριτήριο φόρτισης του υπερχειλιστή εξασφαλίζει ότι ελαφρά σωματίδια δεν θα α-

πομακρυνθούν από τη δεξαμενή από ανοδικά ρεύματα που είναι κοντά στον υπερχειλιστή.

Για το λόγο αυτό, το κριτήριο θέτει μέγιστες τιμές ροής εξόδου της υπερχείλισης ανά μονά-

68

δα μήκους του υπερχειλιστή. Οι προτεινόμενες εμπειρικές τιμές της παραμέτρου WL κυμαί-

νονται από 100 έως 150 m2/d.

5.6.3. Οι βασικές αρχές της θεωρίας της ροής (flux theory)

Η θεωρία της ροής είναι ένας πρακτικός τρόπος να συνδυαστεί η καθίζηση των σωμα-

τιδίων και η συμπίεση αυτών, η οποία λαμβάνει χώρα για τα σωματίδια της ενεργού ιλύος,

με τα φυσικά χαρακτηριστικά της διεργασίας της καθίζησης.

Το πρώτο στάδιο στη θεωρία της ροής είναι ο υπολογισμός της ροής καθίζησης (set-

tling flux).

bsG uX (5.37)

όπου:

Gs είναι η ροή των στερεών (ΜL-2T-1) που διέρχονται από ένα οριζόντιο επίπεδο, εξαιτίας

αποκλειστικά της καθίζησης των σωματιδίων σε σχέση με τη στήλη του υγρού

Xb η συγκέντρωση των στερεών σε ένα οποιοδήποτε επίπεδο του στρώματος της ενεργού

ιλύος

Ο υπολογισμός του Gs απαιτεί τη γνώση της ταχύτητας u είτε από πειραματικές με-

τρήσεις είτε από την εξίσωση (5.33).

To Σχήμα 17 παρουσιάζει μια τυπική μορφή της καμπύλης ροής καθίζησης (settling

flux curve). Για πολύ χαμηλές τιμές της συγκέντρωσης των στερεών (Xb μικρότερο από 1

kg/m3 για την περίπτωση του αναφερόμενου σχήματος), το αριστερό σκέλος της καμπύλης

αυξάνει απότομα. Ενδιάμεσες τιμές της συγκέντρωσης Xb επιβραδύνουν το ρυθμό ανόδου

του Gs, με αποτέλεσμα να φθάνουμε σε μία μέγιστη τιμή ροής. Από το σημείο εκείνο και

έπειτα, ο ρυθμός ροής των σωματιδίων επιβραδύνεται καθώς περνούμε στην περιοχή της

παρεμποδιζόμενης καθίζησης. Το δεξί άκρο της καμπύλης προσεγγίζει ασυμπτωτικά το μη-

δέν καθώς η συμπίεση των στερεών μειώνει σημαντικά την τιμή της ταχύτητας καθίζησης u

για πολύ υψηλές συγκεντρώσεις Xb (για την περίπτωση μας > 10 kg/m3).

Η ευθεία που είναι σχεδιασμένη στο Σχήμα 17 και διέρχεται από την αρχή των αξόνων

έχει κλίση u σύμφωνα με τη σχέση (5.37). Το σημείο τομής με την καμπύλη αντιστοιχεί

στην ταχύτητα καθίζησης των σωματιδίων των οποίων η συγκέντρωση είναι Xb σύμφωνα με

την προβολή του σημείου τομής με τον οριζόντιο άξονα.

69

Xb, kg/m3=g/l

0 5 10 15 20 25 30

Gs,

kg

/ m

2 d

0

25

50

75

100

125

150

175

200

Ροή καθίζησης = uXb

κλίση=u

Περιοχή συμπίεσης

Σχήμα 17. Τυπική μορφή καμπύλης ροής καθίζησης για τιμές u0=152 m/d και λ=0,15 m3/kg

Το δεύτερο κομβικό σημείο στη θεωρία της ροής είναι η κίνηση της στήλης του υγρού

προς τα κάτω εξαιτίας της απομάκρυνσης της ιλύος από τον πυθμένα της δεξαμενής. Επειδή

η καθίζηση στις δεξαμενές αυτές είναι μια συνεχής διεργασία, όγκος ρευστού απομακρύνε-

ται από τον πυθμένα της δεξαμενής με παροχή Qu. Η ροή αυτή δημιουργεί μια επιπρόσθετη

συνιστώσα στην ταχύτητα καθίζησης, η οποία υπολογίζεται από τη σχέση:

uQ

vA

(5.38)

όπου v είναι η ταχύτητα του ρευστού προς τα κάτω (LT-1) εξαιτίας της απομάκρυνσης της

ιλύος με παροχή Qu από τον πυθμένα της δεξαμενής.

Σύμφωνα με τα παραπάνω, η ροή των στερεών που διέρχονται από ένα οριζόντιο επί-

πεδο της δεξαμενής Gb είναι ίση με τη συγκέντρωση των στερεών στο επίπεδο εκείνο, πολ-

λαπλασιασμένη με το άθροισμα των ταχυτήτων u (ταχύτητα καθίζησης των στερεών) και v

(ταχύτητα κίνησης της στήλης του ρευστού προς τα κάτω). Έτσι ισχύει ότι:

bbG X (u v) (5.39)

Η θεωρία της ροής υποθέτει επίσης ότι το σύστημα βρίσκεται σε μόνιμη κατάσταση.

Αν και η παραδοχή της μόνιμης κατάστασης δεν είναι πάντα ορθή, μας επιτρέπει να γρά-

ψουμε το ισοζύγιο μάζας για τα στερεά εξισορροπώντας τη ροή εισόδου των στερεών με τις

ροές εξόδου των στερεών:

70

T b eG G G (5.40)

όπου Ge είναι η ροή των στερεών από την υπερχείλιση (ΜL-2T-1), που δίnεται από τη σχέση:

e e

e X QG

A (5.41)

Η θεωρία της ροής υποθέτει επίσης ότι τα σωματίδια απομακρύνονται 100%. Υπό αυ-

τήν την προϋπόθεση, το Xe ισούται με 0 (και άρα και η τιμή του Ge) και η σχέση (5.40) α-

πλοποιείται στην ακόλουθη μορφή:

T bG G (5.42)

Για το ρεύμα ροής που εγκαταλείπει τη δεξαμενή καθίζησης από τον πυθμένα (υπορ-

ροή), με ροή Gu και συγκέντρωση στερεών Xu, η συνιστώσα της ταχύτητας v είναι μηδέν

επειδή δεν υπάρχει κίνηση της μάζας της στήλης του ρευστού πέρα από τα όρια του πυθμένα

της δεξαμενής. Με βάση τις ροές και τις συγκεντρώσεις που αποτυπώνονται στο Σχήμα 16,

οι ροές εισόδου και εξόδου εξισώνονται σε μόνιμη κατάσταση, δίνοντας τη σχέση:

r in r w u

uT u

(Q Q )X (Q Q )XG G uX

A A

(5.43)

Όταν η δεξαμενή καθίζησης βρίσκεται σε μόνιμη κατάσταση, το ισοζύγιο μάζας θα

πρέπει να μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιοδήποτε σημείο του συστήματος. Έτσι, η ροή των

στερεών σε οποιοδήποτε επίπεδο θα πρέπει να ισούται με τις τιμές των GT και Gu. Με άλλα

λόγια:

bT u bG G G (u v)X (5.44)

Το τρίτο κομβικό σημείο στη θεωρία της ροής είναι ο συνδυασμός της ροής καθίζησης

των στερεών με το ισοζύγιο μάζας. Με άλλα λόγια το τρίτο βήμα περιλαμβάνει την ταυτό-

χρονη επίλυση των ισοζυγίων της ροής των στερεών (εξίσωση (5.37)), του ολικού ισοζυγίου

μάζας (εξισώσεις (5.40) και (5.43)) και του ισοζυγίου μάζας εντός της δεξαμενής καθίζησης

(εξίσωση (5.44)). Αν και οι εξισώσεις αυτές μπορεί να επιλυθούν με πολλούς τρόπους, ο

πλέον συνήθης και εύκολος είναι με γραφική επίλυση.

Το Σχήμα 18 παρουσιάζει το γραφικό τρόπο επίλυσης των ισοζυγίων μάζας για την

περίπτωση της κρίσιμης φόρτισης (critical loading). Η κρίσιμη φόρτιση είναι η κατάσταση

εκείνη κατά την οποία επιτυγχάνεται η μέγιστη συγκέντρωση των στερεών στην υπορροή

της δεξαμενής καθίζησης για δεδομένη συγκέντρωση στερεών στην είσοδο της δεξαμενής.

71

Σχήμα 18. Γραφική επίλυση των ισοζυγίων μάζας και ροής στερεών για μια δεξαμενή καθίζησης

Στο Σχήμα 18 έχει επίσης χαραχθεί η καμπύλη της υπορροής, η οποία είναι μια ευθεία

γραμμή που τέμνει τον αριστερό κατακόρυφο άξονα του σχήματος στην τιμή GT, και είναι

εφαπτομενική της καμπύλης καθίζησης με αρνητική κλίση (-u). Η ευθεία αυτή αντιπροσω-

πεύει το ολικό ισοζύγιο μάζας όπως παρουσιάζεται με την εξίσωση (5.43). Για την περίπτω-

ση του παραδείγματος, στο ανωτέρω σχήμα η συγκέντρωση Xu είναι 15,4 kg/m3 και η ταχύ-

τητα vc είναι 9,09 m/d. Το σημείο επαφής της ευθείας με την καμπύλη αντιστοιχεί στην ελά-

χιστη συγκέντρωση Xc και, ως εκ τούτου, στην ολική κρίσιμη ροή. Η ταχύτητα καθίζησης

των στερεών στο σημείο της κρίσιμης φόρτισης δίνεται από την κλίση της ευθείας που ενώ-

νει την αρχή των αξόνων με το σημείο τομής της εφαπτομένης με την καμπύλη. Για την πε-

ρίπτωση του παραδείγματός μας, η ταχύτητα αυτή είναι uc=3,04 m/d.

Για την τιμή του Xc, η συνολική ροή των στερεών προς τον πυθμένα της δεξαμενής

αποτελείται από δύο συνιστώσες:

(α) αυτή λόγω της απομάκρυνσης των στερεών εξαιτίας της καθίζησης αυτών

ucXC = 3,04 m/d * 11,5 kg/m3 = 35 kg/m2 της βαρύτητας και

(β) αυτή λόγω της ροής του ρευστού προς τα κάτω

vcXc = 9,09 m/d * 11,5 kg/m3 = 105 kg/m2

Η σημαντική επικράτηση του κλάσματος της ροής των στερεών εξαιτίας της κίνησης

του ρευστού προς τα κάτω είναι φυσιολογική στην καθίζηση των στερεών με τον τρόπο αυ-

τό.

72

Το Σχήμα 19 παρουσιάζει με γραφικό τρόπο την επίδραση των μεταβολών της παρα-

μέτρου GT στη δεξαμενή καθίζησης, με την προϋπόθεση ότι επικρατούν ακόμη οι συνθήκες

κρίσιμης φόρτισης. Όταν η ολική φόρτιση των στερεών GT αυξηθεί από 140 σε 210 kg/m2d,

η ταχύτητα vc θα πρέπει να αυξηθεί στην τιμή των 16,3 m/d με σκοπό να απομακρυνθούν τα

στερεά από τον πυθμένα της δεξαμενής καθίζησης. Το τίμημα αυτής της αύξησης στην τιμή

της ταχύτητας εμφανίζεται με τη μείωση της συγκέντρωσης των στερεών Xu, η οποία μειώ-

νεται στην τιμή των 12,9 kg/m3. Αντίθετα, αν μειωθεί η ολική συγκέντρωση των στερεών

στο ρεύμα τροφοδοσίας στην τιμή των 70 kg/m2d, η ταχύτητα vc θα πρέπει να μειωθεί στην

τιμή των 3,7 m/d με κέρδος την αύξηση της συγκέντρωσης των στερεών Xu στην τιμή 18,9

kg/m3. Με τον τρόπο αυτό, φαίνεται ότι η συγκέντρωση των στερεών στο ρεύμα της υπορ-

ροής είναι η μέγιστη όταν η ταχύτητα vc είναι χαμηλή, αλλά από την άλλη πλευρά θα πρέπει

να διατηρούνται υψηλές τιμές της vc προκειμένου να εξασφαλίζονται οι απαιτούμενες παρο-

χές GT.

Σχήμα 19. Γραφική απεικόνιση των μεταβολών της ολικής ροής των στερεών GT στη συγκέντρωση των στερεών στην υπορροή και στην ταχύτητα vc

73

6. ΑΡΧΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ

Στις προηγούμενες παραγράφους εξετάσαμε ορισμένες βασικές τεχνικές που μας επι-

τρέπουν την αφαίρεση των αιωρούμενων στερεών από τα υγρά απόβλητα με εκμετάλλευση

των δυνάμεων της βαρύτητας. Οι τεχνικές αυτές (Τεχνικές Φυσικών Διεργασιών) αποτελούν

το κύριο εργαλείο για την πρωτοβάθμια επεξεργασία των υγρών αποβλήτων.

Μετά την αφαίρεση των αιωρούμενων στερεών (ανόργανων και οργανικών) ακολου-

θεί η προσπάθεια για τη μείωση του διαλελυμένου ρυπαντικού φορτίου. Το διαλελυμένο ορ-

γανικό ρυπαντικό φορτίο αντιμετωπίζεται τις περισσότερες φορές με βιοχημική οξείδωσή

του με τη βοήθεια βιολογικών αντιδραστήρων διαφόρων τύπων. Στις παραγράφους που α-

κολουθούν θα περιγράψουμε τις βασικές τεχνικές σχεδιασμού των βιολογικών αντιδραστή-

ρων που βρίσκουν εφαρμογή στην περιβαλλοντική μηχανική.

6.1. ΒΑΣΙΚΕΣ ΠΑΡΑΔΟΧΕΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΤΟ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ ΤΩΝ

ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ

Οι ακόλουθες παραδοχές είναι απαραίτητες για τη διαμόρφωση μαθηματικών ομοιω-

μάτων (models) των διαφόρων τύπων βιολογικών αντιδραστήρων:

Η χημική κινητική της παραγωγής βιομάζας Χ και κατανάλωσης του ελέγχοντος την α-

νάπτυξη της βιομάζας θρεπτικού S περιγράφονται από την εξίσωση του MONOD.

Μόνο το θρεπτικό S ελέγχει (περιορίζει) την ανάπτυξη των μικροοργανισμών. Όλα τα

άλλα θρεπτικά συστατικά υπάρχουν σε περίσσεια.

Οι κινητικές σταθερές της εξίσωσης MONOD είναι ανεξάρτητες της συγκέντρωσης των

δρώντων συστατικών.

Ο συντελεστής απόδοσης σε βιομάζα (βιομάζα που σχηματίζεται / υπόστρωμα που κατα-

ναλώνεται) είναι σταθερός και ανεξάρτητος από την ηλικία των μικροοργανισμών. Στην

πράξη, ο συντελεστής απόδοσης σε βιομάζα εξαρτάται από τη φύση του υποστρώματος

και από τις συνθήκες της διεργασίας.

Η συγκέντρωση των βιολογικών στερεών Χ είναι ευθέως ανάλογη μίας ευκόλως μετρού-

μενης πειραματικά παραμέτρου, π.χ. πτητικά αιωρούμενα στερεά (VSS).

Οι ρυθμοί των βιολογικών αντιδράσεων ελέγχονται είτε από φαινόμενα χημικής κινητι-

κής είτε από φαινόμενα διάχυσης.

74

Το ρευστό στον αντιδραστήρα έχει σταθερή θερμοκρασία, (ισοθερμοκρασιακή λειτουρ-

γία).

Οι φυσικές παράμετροι του ρευστού παραμένουν σταθερές ή, διαφορετικά, αν χρησιμο-

ποιηθούν μέσες τιμές των παραμέτρων το σφάλμα που υπεισέρχεται στους υπολογισμούς

είναι μικρό.

Η ταχύτητα μεταφοράς οξυγόνου στους μικροοργανισμούς είναι υψηλή σε σχέση με τους

ρυθμούς των αντιδράσεων, έτσι ώστε να μην έχουμε βαθμίδα συγκέντρωσης στην κύρια

μάζα του ρευστού και να μην επηρεάζεται η κινητική της κατανάλωσης υποστρώματος S

και ανάπτυξης της βιομάζας Χ.

Όλες οι βιοχημικές αντιδράσεις που μεταβάλλουν τα S και X λαμβάνουν χώρα μόνο ε-

ντός των ορίων του αντιδραστήρα. Αν μετά τον αντιδραστήρα ακολουθεί σύστημα καθί-

ζησης των στερεών, τότε η κατανάλωση του υποστρώματος, ή η παραγωγή βιομάζας, στο

σύστημα αυτό είναι αμελητέες.

6.2. ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ (BIOLOGICAL REACTOR

MODELS)

Στις επόμενες παραγράφους θα παρουσιάσουμε τους πλέον συνήθεις τύπους βιολογι-

κών αντιδραστήρων όπου η δρώσα βιομάζα ευρίσκεται εν αιωρήσει στο εσωτερικό του α-

ντιδραστήρα και έρχεται σε επαφή με τα υγρά απόβλητα. Θα περιγράψουμε τους αντιδρα-

στήρες πλήρους ανάμιξης ασυνεχούς και συνεχούς λειτουργίας. Όλα όσα θα αναφέρουμε

στις επόμενες παραγράφους αφορούν ιδανικούς αντιδραστήρες (ideal reactors).

6.2.1. Αντιδραστήρες ασυνεχούς ροής / διαλείποντος έργου (batch reactors)

Οι αντιδραστήρες ασυνεχούς ροής αποτελούνται από ένα δοχείο / δεξαμενή σταθερού

όγκου στο οποίο τροφοδοτούνται τα αντιδρώντα συστατικά και, κάτω από ελεγχόμενες συν-

θήκες και πλήρη ανάδευση, επιτρέπουν στις επιθυμητές βιοχημικές αντιδράσεις να εξελι-

χθούν.

Κύριο χαρακτηριστικό των αντιδραστήρων αυτού του είδους είναι το γεγονός ότι λει-

τουργούν μονίμως σε καθεστώς μη σταθερών συνθηκών λειτουργίας (Non Steady State

Operation). Χρησιμοποιούνται ευρέως στη φαρμακοβιομηχανία και ποτοποιία και σχετικά

σπάνια στην επεξεργασία υγρών αποβλήτων.

75

Ο χρόνος παραμονής των αντιδρώντων συστατικών στους αντιδραστήρες αυτού του

είδους ταυτίζεται με το χρόνο εξέλιξης της αντίδρασης. Η εξέλιξη των χαρακτηριστικών πα-

ραμέτρων S (Συγκέντρωση Θρεπτικού Συστατικού) και Χ (Συγκέντρωση Βιομάζας) ακο-

λουθεί σχηματικά την πορεία που περιγράφεται στο σχήμα που ακολουθεί:

X0

S0

Χρόνος

S, X, V

S, X

Σχήμα 20: Αντιδραστήρας ασυνεχούς ροής / διαλείποντος έργου

όπου

V ο σταθερός όγκος του αντιδραστήρα (L3)

S η συγκέντρωση του ελέγχοντος θρεπτικού στο εσωτερικό του αντιδραστήρα (M/L3)

X η συγκέντρωση της βιομάζας στο εσωτερικό του αντιδραστήρα (M/L3)

Η εξέλιξη των δύο μεταβλητών περιγράφεται από τις εξισώσεις MONOD ως ακολού-

θως:

Για το θρεπτικό:

o

m

dS k SX

dt Y K S

(6.1)

και για τη βιομάζα

od

m

k SdXX k X

dt K S

(6.2)

Αν θεωρήσουμε ασήμαντη τη συνεισφορά του ενδογενούς μεταβολισμού στη διαμόρ-

φωση της συγκέντρωσης Χ (πολύ μικρή τιμή του dk , δηλαδή dk 0 ), τότε η ολοκλήρωση

των ανωτέρω δύο εξισώσεων ως προς το χρόνο οδηγεί στις ακόλουθες αναλυτικές σχέσεις:

0 0 0 00 0 00o o

0 0m m

X Y S S k t X YSS X YSnS n S Y S S n

X YK X YK

(6.3)

76

00 m

0 0 0 000

YK X YSnX k t nX n

X X YS XX YS

(6.4)

όπου

S0 και X0 οι αρχικές τιμές των παραμέτρων

t ο χρόνος της αντίδρασης

Για την επίλυση των ανωτέρω εξισώσεων και την εύρεση των τιμών S και X, απαιτεί-

ται η μέθοδος της δοκιμής και σφάλματος (Trial and Error).

Είναι προφανές ότι όταν dk 0 , απαιτείται διαφορετική αντιμετώπιση για την επίλυ-

ση του συστήματος των εξισώσεων (6.1) και (6.2), διότι δεν απλοποιείται η διαφορική έκ-

φραση της ειδικής ταχύτητας ανάπτυξης της βιομάζας.

6.2.2. Άσκηση

Ένα απόβλητο που περιέχει οργανική φόρτιση εμβολιάζεται με μικροοργανισμούς.

Μετά από 15 λεπτά λειτουργίας λαμβάνεται δείγμα το οποίο περιέχει 182 mg COD/l και 198

mg βιομάζας/l. Οι κινητικές σταθερές για το απόβλητο αυτό έχουν προσδιοριστεί ως ακο-

λούθως: k0=0,5 hr-1, kd=0,01 hr-1 Km=75 mg COD/l, Y=0,6 mg βιομάζας/mg COD. Υπολο-

γίστε την τιμή του COD και τη συγκέντρωση της βιομάζας μετά από 90 λεπτά λειτουργίας

του αντιδραστήρα.

Απάντηση

Αντικαθιστώντας τις τιμές του S και Χ στις σχέσεις (6.3) και (6.4) για τη χρονική

διάρκεια των 15 λεπτών έχουμε τα ακόλουθα:

0o o

0

0 0 0 00 0

0

Sn (182) n S 0,6 S 182

X

X 0,6 S 182 0,5(15 / 60) X 0,6SX 0,6Sn

0,6*75 X 0,6*75

0

00 0 00

0

15 0,6*75 198 0,6Sn(198) 0,5* nX n

60 X X 0,6S 198X 0,6S

Οι εξισώσεις αυτές μπορούν να επιλυθούν ως προς τις αρχικές συγκεντρώσεις του υ-

ποστρώματος S0 και της βιομάζας Χ0 δίδοντας:

S0 = 210 mg COD/l

77

Χ0 = 181 mg/l

Έπειτα από 90 λεπτά λειτουργίας έχουμε τα ακόλουθα:

210nS n 210 0,6 210 S

181

181 0,6 210 S 0,5(90 / 60) 181 0,6*210181 0,6*210n

0,6*75 181 0,6*75

90 0,6*75 X 0,6*210

nX 0.5* n181 n60 181 0,6*210 181 181 0,6*210 X

Λύνοντας επίσης τις ανωτέρω εξισώσεις με δοκιμή και σφάλμα λαμβάνουμε:

S = 40 mg COD/l

Χ = 282 mg/l

6.2.3. Αντιδραστήρες πλήρους ανάμιξης συνεχούς ροής (CSTR) χωρίς ανακύκλωση

στερεών (without recycle)

Η περίπτωση του αντιδραστήρα πλήρους ανάδευσης συνεχούς ροής (Continuous

Stirred Tank Reactor, CSTR) είναι η πιο συνηθισμένη σε βιομηχανικές εφαρμογές. Σε έναν

αντιδραστήρα πλήρους ανάδευσης η σύσταση του ρευστού (επεξεργασμένου αποβλήτου)

στην έξοδο του αντιδραστήρα είναι ίδια με τη σύσταση του ρευστού μέσα στον αντιδραστή-

ρα.

Σχηματικά ένας αντιδραστήρας πλήρους ανάδευσης συνεχούς ροής μπορεί να παρα-

σταθεί με το Σχήμα 21.

S, X, V

Q0, S0, X0

Q, S, X

Σχήμα 21. Αντιδραστήρας πλήρους ανάδευσης συνεχούς ροής χωρίς ανακυκλοφορία στερεών

όπου:

78

V ο όγκος του αντιδραστήρα ( 3L )

Q0 η ογκομετρική παροχή εισόδου (L3/Τ)

Χ0 η συγκέντρωση της βιομάζας στη ροή τροφοδοσίας του αντιδραστήρα (Μ/L3)

S0 η συγκέντρωση του θρεπτικού στη ροή τροφοδοσίας του αντιδραστήρα (Μ/L3)

X η συγκέντρωση της βιομάζας στην έξοδο του αντιδραστήρα (Μ/L3)

S η συγκέντρωση του θρεπτικού στην έξοδο του αντιδραστήρα (Μ/L3)

Το ισοζύγιο μάζας γύρο από τον αντιδραστήρα για τη συγκέντρωση του θρεπτικού S

και της βιομάζας X, στη γενική του μορφή μπορεί να γραφτεί ως εξής:

ΡΥΘΜΟΣ ΕΙΣΟΔΟΣ ΣΥΣΤΑΤΙΚΟΥ – ΡΥΘΜΟΣ ΕΞΟΔΟΥ ΣΥΣΤΑΤΙΚΟΥ

+ ΡΥΘΜΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΣΥΣΤΑΤΙΚΟΥ – ΡΥΘΜΟΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗΣ ΣΥΣΤΑΤΙΚΟΥ =

ΡΥΘΜΟΣ ΣΥΣΣΩΡΕΥΣΗΣ ΣΥΣΤΑΤΙΚΟΥ

Εφαρμογή της γενικής μορφής του ισοζυγίου στις παραμέτρους S και X δίνει διαδοχικά τα

ακόλουθα:

o o oS

dSQ S Q S r V V

dt

(6.5)

o o oX

dXQ X Q X r V V

dt

(6.6)

όπου:

dS

dt η συσσώρευση του θρεπτικού στον αντιδραστήρα

dX

dt η συσσώρευση της βιομάζας στον αντιδραστήρα

oS

m

k SXr

Y K S

(6.7)

oX d

m

k SXr k X

K S

(6.8)

Αντικαθιστώντας τις εξισώσεις (6.7) και (6.8) στις (6.5) και (6.6) έχουμε:

0 0 0 0

m

k SXV dSQ S Q S V

Y(K S) dt

(6.9)

και

79

0 0 0 0d

m

k SXV dXQ X Q X k XV V

K S dt

(6.10)

Σε συνθήκες μόνιμης κατάστασης, ο όρος της συσσώρευσης είναι μηδενικός δηλαδή:

dS0

dt και

dX0

dt

Επομένως, οι εξισώσεις (6.9) και (6.10) λαμβάνουν τη μορφή:

0 0 0 0

m

k SXVQ S Q S 0

Y(K S)

(6.11)

και

0 0 0 0d

m

k SXVQ X Q X k XV 0

K S

(6.12)

Επίσης, αν ορίσουμε το λόγο

0

V

Q (6.13)

ως υδραυλικό χρόνο παραμονής στον αντιδραστήρα και θεωρήσουμε Χ0=0, τότε οι εξισώ-

σεις (6.11) και (6.12) γίνονται:

0 0

m

k SXS S 0

( S)

(6.14)

και

0d

m

k SXX k X 0

S

(6.15)

Από την εξίσωση (6.15), μπορούμε να έχουμε τη σχέση του χρόνου παραμονής με τη συγκέ-

ντρωση εξόδου του θρεπτικού:

0

dm

1k S

kS

(6.16)

Aν ο αντιδραστήρας λειτουργεί στη λογαριθμική φάση ανάπτυξης της βιομάζας, τότε

μπορούμε να θεωρήσουμε ότι dk 0 . Στην περίπτωση αυτή, η εξίσωση (6.15) γίνεται:

0

m

k SXX 0

S

(6.17)

80

Αν στην είσοδο του αντιδραστήρα δεν υπάρχουν μικροοργανισμοί (δηλαδή Χ0=0), τό-

τε υπάρχει μια κρίσιμη παροχή στην οποία τα κύτταρα απομακρύνονται με ρυθμό μεγαλύτε-

ρο από το ρυθμό με τον οποίο μπορούν να αναπτυχθούν μέσα στον αντιδραστήρα (washout).

Στις συνθήκες αυτές, η συγκέντρωση της βιομάζας στον αντιδραστήρα μηδενίζεται (X=0)

και, πλέον, δεν υπάρχει κατανάλωση του θρεπτικού (S=S0). Θέτοντας τις τιμές αυτές στην

εξίσωση (6.15) ή (6.16), υπολογίζουμε τον κρίσιμο χρόνο παραμονής:

c 00

d0m

1

k Sk

S

(6.18)

Αν υποθέσουμε ότι dk 0 , τότε η σχέση (6.18), γίνεται

0

mc 0

0

S

k S

(6.19)

Για σταθερή λειτουργία του αντιδραστήρα και για χρόνους παραμονής μεγαλύτερους από

c , η εξίσωση (6.16) δίνει:

d m

0 d

(1 k )S

k 1 k

(6.20)

Το σημαντικότερο συμπέρασμα που προκύπτει από τη σχέση (6.20) είναι ότι, στους

βιολογικούς αντιδραστήρες συνεχούς ροής πλήρους ανάδευσης, η επιτυγχανόμενη μείωση

του ρυπαντικού φορτίου 0S S είναι συνάρτηση του χρόνου παραμονής Θ και όχι της αρχι-

κής συγκέντρωσης των ρύπων στα απόβλητα. Για δεδομένο χρόνο παραμονής Θ, η κατανά-

λωση του θρεπτικού αυξάνει καθώς αυξάνει η συγκέντρωσή του στην είσοδο του αντιδρα-

στήρα, προκειμένου η συγκέντρωση εξόδου να παραμένει σταθερή. Αντίστοιχα, στην περί-

πτωση αυτή, η συγκέντρωση της βιομάζας μέσα στον αντιδραστήρα αυξάνει προκειμένου να

ανταποκριθεί στο σύστημα στην υψηλότερη φόρτιση. Αυτή η αυτορυθμιζόμενη συμπεριφο-

ρά στην απόκριση εξόδου στον αντιδραστήρα δείχνει ότι η συγκέντρωση εξόδου του θρε-

πτικού μπορεί να παραμένει σταθερή ανεξάρτητα από τις διακυμάνσεις που ενδέχεται να

έχει στην τροφοδοσία.

6.2.4. Αντιδραστήρες πλήρους ανάμιξης συνεχούς ροής με ανακύκλωση στερεών (well-

mixed reactors with recycle)

Το γενικό σχηματικό διάγραμμα ενός αντιδραστήρα αυτής της μορφής έχει ως εξής:

81

S, X, V

Q0, S0, X0

S, XΠαχυντής

Q0+Qr Qe

S, Xe

Qr

S, Xr

Qw

S, Xr

Σχήμα 22: Αντιδραστήρας πλήρους ανάμιξης συνεχούς ροής με ανακυκλοφορία στε-ρεών

όπου:

Q0 Υδραυλική Παροχή Τροφοδοσίας του Αντιδραστήρα (L3/T)

X0, S0 Συγκέντρωση Βιομάζας και Ελέγχοντος Θρεπτικού στην παροχή προϊόντος του αντι-

δραστήρα (M/L3)

Xe, S Συγκέντρωση Βιομάζας και Ελέγχοντος Θρεπτικού στην παροχή προϊόντος του αντι-

δραστήρα (M/L3)

Το σύστημα αποτελείται από έναν κοινό αντιδραστήρα πλήρους ανάμιξης συνεχούς

ροής (CSTR) ακολουθούμενο από έναν παχυντή όπου τα βιολογικά στερεά καθιζάνουν. Το

διαυγασθέν υγρό είναι το τελικό προϊόν με ροή (Qe). Η υπορροή του παχυντή περιέχει τα

βιολογικά στερεά (μικροοργανισμούς) σε υψηλή συγκέντρωση Xr. Μέρος της υπορροής Qr

ανακυκλώνεται στην είσοδο του αντιδραστήρα, ενώ ένα άλλο μέρος Qw πηγαίνει προς τελι-

κή διάθεση και εξέρχεται του συστήματος.

Τα αντίστοιχα ισοζύγια μάζας για το θρεπτικό S και για τη βιομάζα X (βιολογικά στε-

ρεά ή μικροοργανισμοί) έχουν ως ακολούθως:

Θρεπτικό S

0 0 0r r s

dSQ S Q S (Q Q )S Vr V

dt (6.21)

Βιομάζα X

0 0 0r r r x

dXQ X Q X (Q Q )X Vr V

dt (6.22)

Αντικαθιστώντας τις εκφράσεις του μοντέλου του MONOD για τα rs, rx έχουμε:

82

0 0 0 0r r

m

k SX dSQ S Q S (Q Q )S V V

Y(K S) dt

(6.23)

0 0 0 0r r r d

m

k SX dXQ X Q X (Q Q )X V k XV V

K S dt

(6.24)

Ορίζοντας το λόγο ανακύκλωσης:

r0

QR

Q (6.25)

και τον υδραυλικό χρόνο παραμονής στη βάση της υδραυλικής παροχής της νέας τροφοδο-

σίας:

0

V

Q (6.26)

τα ισοζύγια (6.23) και (6.24) παίρνουν τη μορφή:

0 0

m

1 k SX dS(S S)

Y(K S) dt

(6.27)

0 0r d

m

k SX1 dX[ R (1 R) ] k X

K S dt

(6.28)

Σε σταθερές συνθήκες λειτουργίας, όπου dS/dt=0, dX/dt=0, η εξίσωση (6.27) γίνεται:

0 0

m

k SX(S S) 0

Y(K S)

(6.29)

0 0r d

m

k SXR (1 R) k X 0

K S

(6.30)

Θεωρώντας ότι η βιομάζα που εισέρχεται με τα απόβλητα είναι ασήμαντη σε ποσότη-

τα σε σχέση με την υπάρχουσα εντός του αντιδραστήρα, δηλαδή ότι Χ0=0, η εξίσωση (6.30)

γίνεται:

0r d

m

k SXRX (1 R)X k X 0

S

(6.31)

Αν επίσης οι μικροοργανισμοί βρίσκονται σε λογαριθμική φάση ανάπτυξης, δηλαδή kd

= 0, η εξίσωση (6.31) γίνεται

0r

m

k SXRX (1 R)X 0

S

(6.32)

Ορίζουμε Συντελεστή Φόρτισης:

83

0

0m

m

k SXV

k SY(K S)U

XV Y(K S)

(6.33)

Μία επίσης σημαντική παράμετρος στους αντιδραστήρες με ανακυκλοφορία ιλύος εί-

ναι ο χρόνος παραμονής των στερεών. Ο πραγματικός μέσος χρόνος παραμονής Θm υπολο-

γίζεται από το πηλίκο της ποσότητας των στερεών μέσα στον αντιδραστήρα δια το άθροισμα

της βιομάζας που εισέρχεται στον αντιδραστήρα συν αυτή που παράγεται μέσα σε αυτόν.

Ορίζουμε: Χρόνο Παραμονής Βιολογικών Στερεών στον αντιδραστήρα: Θm

m0 0 0

m

XVk SXV

X QK S

(6.34)

Σε μόνιμες συνθήκες ο παρανομαστής της παραπάνω σχέσης ισούται με το ρυθμό α-

πώλειας της βιομάζας από το σύστημα εξαιτίας της εκροής των κυττάρων από τη μονάδα

και του θανάτου αυτών εντός του αντιδραστήρα. Εναλλακτικά, λοιπόν, μπορούμε να ορί-

σουμε το m και ως εξής:

mw r e e d

ά ή XV

ό ό ώ ά Q X Q X k XV

(6.35)

όπου

Qw η ογκομετρική παροχή του ρεύματος από τον παχυντή που απορρίπτεται από την υπορ-

ροή

Qe η ογκομετρική παροχή του διαυγασθέντος ρευστού που απορρίπτεται από τον παχυντή

Χr η συγκέντρωση των στερεών στο ρεύμα του παχυντή που απορρίπτεται από την υπορ-

ροή

Xe η συγκέντρωση των στερεών στο ρεύμα του διαυγασθέντος ρευστού που απορρίπτεται

από τον παχυντή

Γενικά η παράμετρος Θm για το μέσο χρόνο παραμονής των κυττάρων στον αντιδρα-

στήρα δεν χρησιμοποιείται ευρύτατα εξαιτίας του γεγονότος ότι η τιμή του συντελεστή kd

δεν είναι εύκολα προσδιορίσιμη. Αντιθέτως, χρησιμοποιείται ο όρος ηλικία λάσπης (ιλύος),

η οποία ορίζεται ως το πηλίκο της ποσότητας της βιομάζας μέσα στον αντιδραστήρα ως

προς τον καθαρό ρυθμό παραγωγής της βιομάζας.

Ορίζουμε την Ηλικία της Βιομάζας (Sludge Age) Θc στον αντιδραστήρα ως εξής:

84

mc

0 0 d md

m

K SXVk SXV k S k (K S)k XVK S

(6.36)

Αντίστοιχα μπορούμε να ορίσουμε το Θc και ως ακολούθως:

cw w e e

XV

Q X Q X

(6.37)

Από τα παραπάνω, εύκολα αποδεικνύεται ότι:

dc

1YU k

(6.38)

Από τις σχέσεις (6.33) και (6.38) συνάγεται ότι:

m m d cm

o 0 c d c

K K kYUKS

k YU k k 1

(6.39)

Παράλληλα από τη σχέση (6.29) έχουμε

0

m

0

S S K S YX

k S

(6.40)

Οι σχέσεις (6.39) και (6.40) δίνουν τις τιμές παραμέτρων S και X που ισχύουν εντός

του αντιδραστήρα κατά τη λειτουργία του σε σταθερές συνθήκες.

Σημαντικό συμπέρασμα από τη σχέση (6.39) είναι ότι η συγκέντρωση εξόδου των

θρεπτικών S είναι πλέον συνάρτηση του χρόνου Θc, δηλαδή της ηλικίας της βιομάζας και

όχι του υδραυλικού χρόνου παραμονής Θm, όπως στην περίπτωση των αντιδραστήρων χωρίς

ανακύκλωση στερεών.

Αναφορικά με τις κρίσιμες συνθήκες σταθερούς λειτουργίας, ένας αντιδραστήρας

πλήρους ανάδευσης με ανακυκλοφορία ιλύος, θα παύσει να λειτουργεί όταν oS S και αυτό

θα συμβεί όταν το λάβει μια κρίσιμη τιμή critical (από την εξίσωση (6.32)):

0

m

critical 00

K S 1 R R

k S

(6.41)

όπου

rX

X (6.42)

Η δυνατότητα χειρισμού του critical μέσω της ανακύκλωσης των βιολογικών στερεών

από την υπορροή του παχυντή επιτρέπει στο μηχανικό να ελέγχει καλύτερα την απόδοση της

85

λειτουργίας βιολογικών αντιδραστήρων αυτού του τύπου σε σχέση με τους αντίστοιχους α-

ντιδραστήρες που δεν έχουν ανακύκλωση των βιολογικών στερεών.

6.2.5. Άσκηση

Βιολογικός αντιδραστήρας πλήρους ανάδευσης λειτουργεί με ογκομετρική παροχή 63

l/min με συγκέντρωση υποστρώματος στην τροφοδοσία 400 mg COD/l και συγκέντρωση

εξόδου υποστρώματος 60 mg COD/l. Οι κινητικές σταθερές της εξίσωσης MONOD είναι

k0=0,4 hr-1, Km=100 mg/l, kd=0,01 hr-1 και Υ=0,5 mg/mg COD.

Να υπολογιστούν:

(α) Η συγκέντρωση των κυττάρων (στερεών) στην έξοδο του αντιδραστήρα

(β) Ο όγκος του αντιδραστήρα

(γ) Ο χρόνος παραμονής

(δ) Η συνολική ποσότητα των στερεών στον αντιδραστήρα

(ε) Η φόρτιση του αντιδραστήρα σε kg COD/day/kg στερεών

(στ) Να υπολογιστεί ο κρίσιμος χρόνος παραμονής

Απάντηση

Γράφουμε πρώτα το ισοζύγιο μάζας για το θρεπτικό:

0 0

m

k SS S X 0

(K S)

(6.43)

και κατόπιν το ισοζύγιο μάζας για τη βιομάζα:

0 0d

m

k SX X X k X 0

K S

(6.44)

Από τη σχέση (6.43) αντικαθιστώντας τις τιμές έχουμε:

0, 4*60

400 60 0 1133mg COD / l hr0,5(100 60)

(6.45)

Από τη σχέση (6.44) αντικαθιστώντας τις τιμές έχουμε (για X0=0):

0, 4*60

X 1133 0,01*1133 0 X 158,62mg / l100 60

(6.46)

Ο χρόνος παραμονής υπολογίζεται από τη σχέση:

1133 1133

X 1133 7,14 hr158,62

(6.47)

Για τον όγκο του αντιδραστήρα:

86

0

0 3 3

V

Q

V Q V 7,14hr *63 l / min*60min/ hr *1000l / m 27 m

(6.48)

Η συνολική συγκέντρωση των στερεών στον αντιδραστήρα υπολογίζεται από τη σχέση:

3 3VX 27 m *158,62 mg / l*1000l / m *1g /1000mg*1kg /1000g 4,28kg (6.49)

0

0m

m

1

k SXVk SY(K S)

UXV Y(K S)

0,4h 60mg / l mg COD0,3

0,5mg / mg COD(100 60) mg / l mg h

kg COD kg COD0,3 7,2

kg ά h kg ά day

(6.50)

Ο κρίσιμος χρόνος παραμονής για τον αντιδραστήρα υπολογίζεται από τη σχέση:

c 00

d0m

1

k Sk

K S

(6.51)

c

1 13,22hr

0,4*400 0,32 0,010,01100 400

6.3. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΣΕ ΜΟΝΑΔΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ

ΠΛΗΡΟΥΣ ΑΝΑΜΙΞΗΣ

Μονάδα βιολογικής επεξεργασίας υγρών αποβλήτων χρησιμοποιεί αντιδραστήρα πλή-

ρους ανάμειξης με ανακυκλοφορία ιλύος και δέχεται ροή αποβλήτων 5,28 m3/min με συγκέ-

ντρωση οργανικού φορτίου 300 mg/L στην είσοδο της μονάδας. Η ανακυκλοφορία της ιλύος

γίνεται με παροχή 0,78 m3/min και με συγκέντρωση 6000 mg/L. Ο ελάχιστος απαιτούμενος

βαθμός καθαρισμού για τη διάθεση των επεξεργασμένων αποβλήτων στον τελικό αποδέκτη

είναι 95%.

(α) Να υπολογιστεί ο απαιτούμενος όγκος του αντιδραστήρα για βαθμό καθαρισμού 95%.

(β) Να υπολογιστεί ο ελάχιστος απαιτούμενος όγκος του αντιδραστήρα για την ασφαλή λει-

τουργία του.

Δίνονται οι ακόλουθες τιμές βιοκινητικών σταθερών Kο=0,4 hr-1, Km=75 mg/L, Y=0,6,

Kd=0.

87

Απάντηση

S, X, V

Q0, S0, X0

S, XΠαχυντής

Q0+Qr Qe

S, Xe

Qr

S, Xr

Qw

S, Xr

Για κάθε "συστατικό" που εισέρχεται και εξέρχεται από τα όρια του αντιδραστήρα ισχύει το

ακόλουθο ισοζύγιο μάζας στη γενική του μορφή:

Ρυθμός εισόδου – Ρυθμός εξόδου +Ρυθμός παραγωγής – Ρυθμός κατανάλωσης =

Ρυθμός συσσώρευσης

Εφαρμόζουμε το ισοζύγιο μάζας για την παραγόμενη βιομάζα και την κατανάλωση του ορ-

γανικού φορτίου. Στα όρια του αντιδραστήρα έχουμε:

Για το υπόστρωμα S:

0 0 0r r s

dS(Q S Q S) (Q Q )S Vr V

dt (6.52)

Για τη βιομάζα Χ:

0 0 0r r r X d

dX( Q S + Q X ) - ( Q + Q ) X +V r - Vr = V

dt (6.53)

Σε συνθήκες μόνιμης λειτουργίας, τα δεξιά μέλη των εξισώσεων (6.52) και (6.53) είναι μη-

δέν, δηλαδή

dS0

dt

dX0

dt

Ο ρυθμός παραγωγής της βιομάζας περιγράφεται από την εξίσωση του Monod.

0x

m

k Sr X

K S

(6.54)

Ο ρυθμός απενεργοποίησης της βιομάζας δίνεται από τη σχέση:

88

d dr k X (6.55)

Ο ρυθμός κατανάλωσης του υποστρώματος σχετίζεται με την ανάπτυξη της βιομάζας μέσω

του συντελεστή απόδοσης:

0xs

m

k Sr 1r X

Y Y K S

(6.56)

Τέλος, ο υδραυλικός χρόνος παραμονής στον αντιδραστήρα ορίζεται ως:

0

V

Q (6.57)

Αντικαθιστώντας τις εξισώσεις (6.54)-(6.57) στις εξισώσεις (6.52), (6.53) και με την υπόθε-

ση ότι η συγκέντρωση της βιομάζας στην τροφοδοσία του αποβλήτου είναι πολύ μικρότερη

από αυτή στην είσοδο του αντιδραστήρα (δηλαδή Χο 0), έχουμε:

0 0

m

k SX(S S) 0

Y(K S)

(6.58)

0r d

m

k SXRX (1 R)X k 0

Y(K S)

(6.59)

όπου R ο λόγος ανακυκλοφορίας της ιλύος όπως ορίζεται από την εξίσωση:

r0

QR

Q (6.60)

Αντικαθιστώντας τις αριθμητικές τιμές του προβλήματος:

R = Qr/Q0 = (0,78 m3/min)/(5,28 m3/min) = 0,148

S0 = 300 mg/L

S = 0,05*S0 = 0,05*300 mg/L = 15 mg/L (για 95% βαθμό καθαρισμού του αποβλήτου)

kο = 0,4 hr-1

Km = 75 mg/L

kd = 0

Xr = 6000 mg/L

Y = 0,6

στο σύστημα των εξισώσεων (6.58) και (6.59) έχουμε:

Χ = 923 mg/L

89

Θ = 2,78 hr

και από την εξίσωση (6.57)

V = 881 m3

(β) Ο ελάχιστος όγκος αντιδραστήρα για την ασφαλή λειτουργία του αντιδραστήρα υπολο-

γίζεται θέτοντας S=So. Ο κρίσιμος χρόνος παραμονής υπολογίζεται από την εξίσωση (6.59).

δηλαδή:

0 0

r m mcritical 0

0

[((1 R)X RX )*(K S )](K S )

k S X

(6.61)

και με αντικατάσταση των αριθμητικών τιμών:

Θcritical = 0,581 hr

και από την εξίσωση (6.57):

Vmin=184 m3

6.4. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΣΕ ΠΑΧΥΝΤΗ ΔΙΑΥΓΑΣΗΣ ΝΕΡΟΥ

Ο παχυντής που χρησιμοποιείται στο προηγούμενο παράδειγμα είναι συνεχούς λει-

τουργίας με σκοπό την πάχυνση της ιλύος και την ταυτόχρονη διαύγαση του τελικού επε-

ξεργασμένου αποβλήτου. Για το σχεδιασμό του μετρήθηκαν πειραματικά οι ταχύτητες καθί-

ζησης ζώνης για διαφορετική συγκέντρωση περιεχομένων στερεών όπως φαίνεται στον πί-

νακα που ακολουθεί:

Συγκέντρωση στερεών (mg/L)

Ταχύτητα καθίζησης ζώνης (m/hr)

1000 2,75

1500 2,01

2000 1,37

2500 0,73

3000 0,42

4000 0,22

5000 0,13

Ποια η ελάχιστη επιφάνεια του παχυντή ώστε να παράγει τη συγκέντρωση υπορροής 6000

mg/L που απαιτείται για το προηγούμενο παράδειγμα;

90

Απάντηση

Κατασκευάζουμε τον πίνακα της ειδικής ροής μάζας CiUi και παριστάνουμε γραφικά τα δε-

δομένα

Συγκέντρωση στερεών Ci(mg/L)

Ταχύτητα καθίζησης ζώνης ui (m/hr)

Ειδική ροή μάζας Ci*uI (mg / m2 hr)

1000 2,75 2,75

1500 2,01 3,02

2000 1,37 2,74

2500 0,73 1,83

3000 0,42 1,26

4000 0,22 0,88

5000 0,13 0,65

Με τις τιμές του προηγούμενου πίνακα κατασκευάζουμε το διάγραμμα που ακολουθεί και

φέρνουμε την εφαπτομένη από το σημείο 6000 mg/L η οποία είναι η επιθυμητή συγκέντρω-

ση της υπορροής του παχυντή. Η ευθεία τέμνει τον κατακόρυφο άξονα στην τιμή GL=2,5

mg/m3hr. Η τιμή αυτή αντιστοιχεί στη μέγιστη δυνατή τροφοδοσία του παχυντή.

Άρα:

L

CG Q

A (6.62)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 65000.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Πειραματικά δεδομένα

GL

C

91

και, με τα δεδομένα της προηγούμενης άσκησης, αντικαθιστώντας τα αντίστοιχα σύμβολα

έχουμε:

L 0 r

XG (Q Q )

A (6.63)

Από όπου προκύπτει ότι η επιφάνεια του παχυντή πρέπει να είναι:

Α = 134 m2

6.4.1. Αντιδραστήρας εμβολικής ροής με ανακυκλοφορία βιολογικών στερεών (continu-

ous plug flow reactor with solids recycle).

Στον αντιδραστήρα εμβολικής ροής η ταχύτητα του ρευστού είναι σταθερή σε κάθε εγκάρ-

σια διατομή και δεν λαμβάνει χώρα ανάμειξη του ρευστού κατά μήκος της διαδρομής του

ρευστού. Η σύνθεση του ρευστού διαφέρει κατά μήκος του αντιδραστήρα και για τον λόγο

αυτό το ισοζύγιο μάζας θα πρέπει να γραφτεί σε κάθε στοιχείο του αντιδραστήρα κατά μή-

κος αυτού.

Ένα σχηματικό διάγραμμα για έναν αντιδραστήρα εμβολικής ροής δίνεται στο ακόλουθο

σχήμα.

Σχήμα 23. Αντιδραστήρας εμβολικής ροής με ανακύκλωση βιολογικών στερεών.

Για ένα εγκάρσιο διαφορικό στοιχείο όγκου dV το ισοζύγιο μάζας σε μόνιμη κατά-

σταση δίδεται από την εξίσωση:

Ρυθμός εισόδου στον αντιδραστήρα – Ρυθμός εξόδου από τον αντιδραστήρα + Ρυθμός πα-

ραγωγής εντός του αντιδραστήρα – Ρυθμός κατανάλωσης εντός του αντιδραστήρα = 0

Όπου για το υπόστρωμα S ισχύει:

92

Ρυθμός εισόδου = (Q0+Qr)S = Q0(1+R)S

Ρυθμός εξόδου = (Q0+Qr)(S+dS) = Q0(1+R)(S+dS)

Ρυθμός παραγωγής εντός του αντιδραστήρα= 0

Ρυθμός κατανάλωσης εντός του αντιδραστήρα = 0

( )m

k XSdV

Y K S

Έτσι το ισοζύγιο μάζας σε μόνιμη κατάσταση για το υπόστρωμα γράφεται:

0 0(1 ) 0( )m

k XSQ R dS dV

Y K S

(6.64)

Όμοια το ισοζύγιο μάζας σε μόνιμη κατάσταση για την βιομάζα γράφεται:

0 0(1 ) 0dm

k XSQ R dX k X dV

K S

(6.65)

Το ισοζύγιο μάζας μπορεί να γραφεί σε συνάρτηση με την απόσταση Ζ βάση της σχέσης:

dV AdZ

όπου Α η εγκάρσια διατομή του αντιδραστήρα. Με αντικατάσταση της προηγούμενης σχέ-

σης στις (6.64) και (6.65) λαμβάνουμε τις εξισώσεις:

0 0(1 ) 0( )m

k XSQ R dS AdZ

Y K S

(6.66)

0 0(1 ) 0dm

k XSQ R dX k X AdZ

K S

(6.67)

Οι οριακές συνθήκες για τις εξισώσεις (6.66) και (6.67) λαμβάνονται από τις εξισώ-

σεις ανάμειξης της φρέσκιας τροφοδοσίας με το ρεύμα ανακυκλοφορίας:

0 0 0( )r r r iQ S Q S Q Q S (6.68)

0 0 0( )r r r iQ X Q X Q Q X (6.69)

όπου οι συγκεντρώσεις 0S , rS και iS , αφορούν την συγκέντρωση του υποστρώματος στην

φρέσκια τροφοδοσία, στο ρεύμα ανακυκλοφορίας και την τροφοδοσία εισόδου του αντιδρα-

στήρα αντίστοιχα. Αντίστοιχοι συμβολισμοί αφορούν το υπόστρωμα X .

Διαιρώντας με την φρέσκια παροχή 0Q οι εξισώσεις (6.68) και (6.69) γίνονται:

0

1r

i

S RSS

R

στην θέση Ζ=0 (6.70)

93

0

1r

i

R

R

στην θέση Ζ=0 (6.71)

Όπου R ο λόγος ανακυκλοφορίας:

r0

QR

Q (6.72)

Οι εξισώσεις (6.66) και (6.67) αποτελούν ένα σύστημα μη γραμμικών διαφορικών εξι-

σώσεων η επίλυση των οποίων είναι δύσκολο να γίνει με αναλυτικό τρόπο. Οι εξισώσεις

αυτές στην γενική τους μορφή μπορεί να επιλυθούν μόνο με υπολογιστικές τεχνικές αριθμη-

τικής ανάλυσης. Σε ειδικές μόνο περιπτώσεις μπορούν να επιλυθούν αναλυτικά.

Έτσι για παράδειγμα αν η ποσότητα της βιομάζας που σχηματίζεται στον αντιδραστή-

ρα είναι μικρή σε σχέση με αυτή που εισέρχεται στον αντιδραστήρα, τότε η συγκέντρωση

της βιομάζας μπορεί να θεωρηθεί ότι παραμένει σταθερή καθ’ όλό το μήκος του αντιδρα-

στήρα. Θέτοντας την μέση συγκέντρωση της βιομάζας στον αντιδραστήρα με το σύμβολο

aX το ισοζύγιο μάζας για το υπόστρωμα γράφεται ως:

0 0(1 ) 0( )

a

m

k X SQ R dS AdZ

Y K S

(6.73)

η οποία εξίσωση μπορεί να ολοκληρωθεί δίδοντας:

00

( ) ln(1 )

i ai m

S k X AZS S K

S YQ R

(6.74)

Η έξοδος του αντιδραστήρα σε συγκέντρωση βιομάζας μπορεί να προσεγγιστεί από το συ-

νολικό ισοζύγιο της βιομάζας στην είσοδο και την έξοδο του αντιδραστήρα από την εξίσω-

ση:

0 0 0( ) ( ) ( ) ( ) 0R i R R i d aQ Q X Q Q X Q Q Y S S k X AZ (6.75)

0 0( )( ) ( ) ( )R i R i d aQ Q X X Q Q Y S S k X AZ (6.76)

0 0(1 )( ) (1 ) ( )i i d aQ R X X Q R Y S S k X AZ (6.77)

0

( ) ( )(1 )

d ai i

k X AZX X Y S S

Q R

(6.78)

94

Αντικαθιστώντας την ποσότητα iS S από την εξίσωση (6.74) λαμβάνουμε:

00 0

( ) ln(1 ) (1 )

a i d ai m

k X AZ S k X AZX X K Y

Q R S Q R

(6.79)

Οι αντιδραστήρες εμβολικής ροής λειτουργούν συνήθως με ανακύκλωση μικροοργα-

νισμών. Όταν δεν υπάρχει ανακυκλοφορία ρευστού, η μόνη πηγή μικροοργανισμών είναι η

νέα τροφοδοσία. Καθώς η συγκέντρωση των μικροοργανισμών στην νέα τροφοδοσία είναι

συνήθως μικρή, οι ρυθμοί των αντιδράσεων παραγωγής βιομάζας και κατανάλωσης θρεπτι-

κού θα είναι επίσης χαμηλοί. Χωρίς αξονική ανάμειξη σε έναν ιδανικό αντιδραστήρα εμβο-

λικής ροής δεν υπάρχει περίπτωση να έχουμε αυξημένη συγκέντρωση βιομάζας στην είσοδο

του αντιδραστήρα. Με την εισαγωγή της ανακυκλοφορίας στην είσοδο του αντιδραστήρα, η

συγκέντρωση της βιομάζας αυξάνει, οι ρυθμοί των βιοχημικών αντιδράσεων αυξάνουν επί-

σης, και έτσι ο απαιτούμενος όγκος του αντιδραστήρα για δεδομένο βαθμό μετατροπής μει-

ώνεται.

Όπως και στην περίπτωση του αντιδραστήρα πλήρους ανάδευσης συνεχούς ροής με

ανακυκλοφορία στερεών αποφεύγεται η έκπλυση των μικροοργανισμών (wash out) από τον

αντιδραστήρα όταν στην είσοδο αυτού εισέρχεται σταθερή ποσότητα βιομάζας. Παρόλα

αυτά υπό συνθήκες έλλειψης μικροοργανισμών στην νέα τροφοδοσία και με σταθερή σχέση

στερεών εξόδου προς εισόδου (β) είναι δυνατόν να υπάρχουν συνθήκες έκπλυσης των μι-

κροοργανισμών από τον αντιδραστήρα. Στην περίπτωση αυτή η συγκέντρωση των μικροορ-

γανισμών στην έξοδο προσεγγίζει την τιμή μηδέν καθώς στο ρεύμα τροφοδοσίας η συγκέ-

ντρωση των μικροοργανισμών πλησιάζει στο μηδέν. Υπό τις συνθήκες αυτές ο κρίσιμος

χρόνος παραμονής στον οποίο θα συμβεί έκπλυση των στερεών για σταθερό β, δίδεται από

την σχέση:

0

0 00

(1 )( ) 1ln

( )m

wd m

R S K R

k S k S K R

(6.80)

Άσκηση

Σε μονάδα επεξεργασίας αποβλήτων εισέρχεται νέα τροφοδοσία με παροχή 0.088

m3/sec και με συγκέντρωση υποστρώματος 300 mg/l. Η ιλύς ανακυκλώνεται προς τον αντι-

δραστήρα από έναν παχυντή με παροχή 0.013 m3/sec και συγκέντρωση βιομάζας 6000 mg/l.

Αν απαιτείται μετατροπή του υποστρώματος κατά 95% υπολογίστε τον χρόνο παραμονής

και τον όγκο του αντιδραστήρα για τις περιπτώσεις:

95

(α) αντιδραστήρα πλήρους ανάδευσης,

(β) αντιδραστήρα εμβολικής ροής

Δίδονται οι κινητικές σταθερές k0=0.4hr-1, Km=75 mg/l, Y=0.6, kd=0.

Απάντηση (α) Για τον αντιδραστήρα πλήρους ανάδευσης το ισοζύγιο μάζας για το θρεπτικό συστατικό

δίνει από την εξίσωση:

0 0 0( )m

k SXS S

Y K S

Αντίστοιχα για το ισοζύγιο μάζας της βιομάζας έχουμε:

0(1 ) 0rm

k SXRX R X

K S

Αντικαθιστώντας τις αριθμητικές τιμές για τις παραμέτρους έχουμε: R=0.013/0.088=0.147, Xr=6000 mg/l, S0=300 mg/l, S=0.05*300=15 mg/l.

0.4*15300 15 0

0.6(75 15)

X

0.4*15*

0.147*6000 (1 0.147) 075 15

XX

Λύνοντας ως προς Χθ από την πρώτη εξίσωση λαμβάνουμε Χθ=2565. Από την δεύτερη εξίσωσης λύνοντας ως προς Χ λαμβάνουμε Χ=930 mg/l και άρα θ=2.76 hr. Ο όγκος του αντιδραστήρα υπολογίζεται από την σχέση:

V=θQ0 = 2.76 * 0.088*3600= 874 m3 (β) Για τον αντιδραστήρα εμβολικής ροής το ισοζύγιο του υποστρώματος δίνει:

0 0(1 ) 0( )m

k XSQ R dS dV

Y K S

και για την βιομάζα:

0 0(1 ) 0dm

k XSQ R dX k X dV

K S

96

Με αντικατάσταση των αριθμητικών τιμών έχουμε:

0.4

(0.088*3600)(1 0.15) 00.6(75 )

XSdS dV

S

0.4

(0.088*3600)(1 0.15) 075

XSdX dV

S

Στην είσοδο του αντιδραστήρα ισχύει:

0

1r

i

S RSS

R

0

1r

i

R

R

Αντικαθιστώντας τις τιμές έχουμε:

300 0.15*15263 /

1 0.15iS mg l

0 0.15(6000)

783 /1 0.15i mg l

Λύνοντας τις παραπάνω εξισώσεις για τελικό S=15 mg/l λαμβάνουμε:

Χ=930 mg/l

V=288 m3

θ=0.91 hr

Όπως βλέπουμε ο όγκος του αντιδραστήρας εμβολικής ροής είναι το 1/3 του όγκου του α-

ντιδραστήρα πλήρους ανάδευσης.

6.5. ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ

Ο αντιδραστήρας πλήρους ανάδευσης και ο αντιδραστήρας εμβολικής ροής αποτελούν τις

δύο ακραίες περιπτώσεις τύπου ροής σε έναν βιολογικό αντιδραστήρα. Το μοντέλο της πλή-

ρους ανάδευσης υποθέτει ότι το ρεύμα της τροφοδοσίας διασπείρεται ακαριαία και ομοιό-

μορφα σε όλο τον όγκο του αντιδραστήρα. Αντίθετα, το μοντέλο της εμβολικής ροής υποθέ-

τει ότι δεν υπάρχει καμία ανάμειξη του ρευστού κατά μήκος του αντιδραστήρα, και ο κάθε

όγκος του ρευστού που εισέρχεται έχει ακριβός τον ίδιο χρόνο παραμονής.

Για τον αντιδραστήρα πλήρους ανάδευσης, η συγκέντρωση του υποστρώματος εντός του

αντιδραστήρα, είναι η ίδια με αυτή στην έξοδο του. Έτσι η νέα τροφοδοσία διασπείρεται

ακαριαία στο περιβάλλον χαμηλής συγκέντρωσης. Αντίθετα, στον αντιδραστήρα εμβολικής

97

ροής η συγκέντρωση του υποστρώματος μειώνεται προοδευτικά κατά μήκος του αντιδρα-

στήρα. Αν όλες οι άλλες παράμετροι παραμείνουν σταθερές οι υψηλότερες συγκεντρώσεις

του υποστρώματος στον αντιδραστήρα εμβολικής ροής δίνουν υψηλότερους ρυθμούς μετα-

τροπής του υποστρώματος σε βιομάζα. Ως αποτέλεσμα, ο αντιδραστήρας εμβολικής ροής θα

πρέπει να έχει μικρότερο όγκο από τον αντιδραστήρα πλήρους ανάδευσης για τον ίδιο βαθ-

μό μετατροπής του υποστρώματος σε βιομάζα.

Στην περίπτωση που η συγκέντρωση της βιομάζας που εισέρχεται στον αντιδραστήρα με

την νέα τροφοδοσία ή με το ρεύμα ανακυκλοφορίας είναι πολύ χαμηλή, τότε ο αντιδραστή-

ρας εμβολικής ροής μπορεί να απαιτείται να είναι μεγαλύτερου όγκου από τον αντιδραστή-

ρα πλήρους ανάδευσης για τον ίδιο βαθμό μετατροπής του υποστρώματος σε βιομάζα. Τού-

το εξηγείται εξαιτίας του γεγονότος ότι η χαμηλή παρουσία βιομάζας στην είσοδο του αντι-

δραστήρα εμβολικής ροής, οδηγεί σε χαμηλούς ρυθμούς αντίδρασης στην περιοχή εισόδου

του αντιδραστήρα. Ο ρυθμός της αντίδρασης αυξάνει καθώς παράγεται περισσότερη βιομά-

ζα κατά την πορεία του ρευστού προς την έξοδο του αντιδραστήρα. Στην περίπτωση που δεν

εισέρχεται καθόλου βιομάζα στην τροφοδοσία του αντιδραστήρα εμβολικής ροής, δεν υφί-

στανται βιολογικές αντιδράσεις και η λειτουργία του αντιδραστήρα ισοδυναμεί με την λει-

τουργία σε κατάσταση έκπλυσης της βιομάζας (wash out). Αντίθετα στην περίπτωση του

αντιδραστήρα πλήρους ανάδευσης, όπου η τροφοδοσία αναμειγνύεται πλήρως με το σύνολο

του όγκου του ρευστού που περιέχει ο αντιδραστήρας, και στον οποίο υπάρχει βιομάζα, οι

βιολογικές αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα, ακόμη και όταν η τροφοδοσία του αποβλήτου δεν

περιέχει καθόλου βιομάζα.

Ο αντιδραστήρας πλήρους ανάδευσης είναι γενικά σταθερότερος στην λειτουργία του από

τον αντιδραστήρα εμβολικής ροής σε σχέση με την απόκριση του σε τοξικά φορτία. Έτσι

για παράδειγμα στην περίπτωση της εισόδου ενός παλμού από τοξικά συστατικά (δηλαδή

απότομη αύξηση, σταθεροποίηση και αντίστοιχα μείωση της συγκέντρωσης των τοξικών

συστατικών στην είσοδο του αντιδραστήρα), η συγκέντρωση των τοξικών συστατικών πα-

ραμένει υψηλή και διατρέχει όλο τον όγκο του αντιδραστήρα μέχρι ο παλμός να φθάσει

στην έξοδο του. Υπό αυτές τις συνθήκες, μεγάλο μέρος της βιομάζας δύναται να καταστρα-

φεί με αποτέλεσμα την αστάθεια στην λειτουργία του αντιδραστήρα. Αντίθετα στον αντι-

δραστήρα πλήρους ανάδευσης, ο παλμός των τοξικών συστατικών στην είσοδο διασπείρε-

ται άμεσα σε όλο το όγκο του αντιδραστήρα και για τον λόγο αυτό η συγκέντρωση των το-

ξικών συστατικών αραιώνει και μειώνεται σημαντικά. Με τον μηχανισμό αυτό οι μεταβολι-

κές διεργασίες των κυττάρων επηρεάζονται λιγότερο από τα τοξικά συστατικά, και η σταθε-

ρότητα του αντιδραστήρα είναι σημαντικά αυξημένη. Γενικά ο αντιδραστήρας πλήρους α-

98

νάδευσης συνεχούς ροής έχει σταθερότερη έξοδο σε μεταβολές των συγκεντρώσεων στο

ρεύμα τροφοδοσίας σε σχέση με τον αντιδραστήρα εμβολικής ροής.

Ένα άλλο σημαντικό πλεονέκτημα των αντιδραστήρων πλήρους ανάδευσης είναι ο ομοιό-

μορφος ρυθμός κατανάλωσης του οξυγόνου από τους μικροοργανισμούς, καθώς η συγκέ-

ντρωση του οξυγόνου και οι ρυθμοί των βιολογικών αντιδράσεων είναι ομοιόμορφοι σε κά-

θε σημείο του όγκου του αντιδραστήρα. Αντίθετα στον αντιδραστήρα εμβολικής ροής η α-

παίτηση σε κατανάλωση οξυγόνου είναι υψηλότερη στην είσοδο του αντιδραστήρα εκεί ό-

που και η συγκέντρωση του θρεπτικού είναι επίσης υψηλότερη και μειώνεται προοδευτικά

καθώς οδηγούμαστε προς την έξοδο του αντιδραστήρα όπου και η συγκέντρωση του θρεπτι-

κού μειώνεται. Για τον λόγο αυτό ο σχεδιασμός του συστήματος αερισμού τέτοιων αντιδρα-

στήρων απαιτεί υψηλότερους ρυθμούς παροχής οξυγόνου στην είσοδο σε σχέση με την έξο-

δο.

Τα πρότυπα των αντιδραστήρων πλήρους ανάδευσης και εμβολικής ροής είναι ιδανικές κα-

ταστάσεις που δύσκολα συναντώνται σε μεγάλης κλίμακας βιολογικούς αντιδραστήρες.

Στην πραγματικότητα φαινόμενα όπως σύντομες διαδρομές – «βραχυκυκλώματα» (short

circuiting) ή στάσιμες ζώνες (stagnant zone) λαμβάνουν χώρα. Για παράδειγμα στους αντι-

δραστήρες πλήρους ανάδευσης, ορισμένα τμήματα του ρευστού ρέουν από την είσοδο προς

την έξοδο του αντιδραστήρα με χρόνους παραμονής συντομότερους από τον μέσο χρόνο

παραμονής εξαιτίας της μερικής ανάμειξης του ρεύματος τροφοδοσίας με την κύρια μάζα

του ρευστού. Επιπλέον σε ορισμένα τμήματα του αντιδραστήρα μπορεί να υπάρχουν τμήμα-

τα στάσιμου ρευστού τα οποία έχουν χρόνους παραμονής μεγαλύτερους από τον μέσο χρόνο

παραμονής.

Στους αντιδραστήρες εμβολικής ροής ο αερισμός του ρευστού προκαλεί αξονική ανάμειξη

και αντίστοιχα δίνει μια κατανομή χρόνων παραμονής. Έτσι τέτοιου τύποι αντιδραστήρες

προσομοιάζονται καλύτερα με αντιδραστήρες πλήρους ανάδευσης σε σειρά ή με αντιδρα-

στήρες εμβολικής ροής με συντελεστή αξονικής διασποράς.