Τ.Ε.Ι. ∆ΥΤ. ΜΑΚΕ∆ΟΝΙΑΣ, ΚΟΖΑΝΗ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΑΝΤΙΡΡΥΠΑΝΣΗΣ ΘΕΜΑ ΠΤΥΧΙΑΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων ΦΟΙΤΗΤΡΙΑ: ΣΩΤΗΡΟΠΟΥΛΟΥ ΑΓΑΘΟΝΙΚΗ ΕΠΙΒΛΕΠΟΥΣΑ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ: ΠΑΠΠΑ ΑΜΑΛΙΑ Κοζάνη, Φεβρουάριος 2010 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους όσους µε βοήθησαν στην παρακάτω πτυχιακή εργασία µε την πολύτιµη στήριξή τους. Ιδιαίτερα, θα ήθελα να ευχαριστήσω την καθηγήτρια κα Παππά Αµαλία που µου εµπιστεύτηκε το συγκεκριµένο θέµα και µε βοήθησε να το βγάλω εις πέρας. Ελπίζω και εύχοµαι να φανεί ευκολοδιάβαστη και χρήσιµη. Ευχαριστώ… 2 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η πτυχιακή αυτή εργασία δηµιουργήθηκε µε σκοπό την αναφορά, την µελέτη και εν συνεχεία την οικειοποίησή µας µε τους τεχνητούς υγροβιότοπους. Μια φυσική µέθοδο επεξεργασίας υγρών αποβλήτων η οποία στην Ελλάδα, σε αντίθεση µε την υπόλοιπη Ευρώπη και την Αµερική, είναι ελάχιστα διαδεδοµένη. Πιο συγκεκριµένα, στην παρούσα εργασία θα βρείτε στοιχεία και δεδοµένα που αφορούν στον σχεδιασµό, στα αποτελούµενα µέρη, στην λειτουργία, και στους µηχανισµούς αποµάκρυνσης ρυπαντών που λαµβάνουν χώρα στους τεχνητούς υγροβιότοπους, καθώς και έναν ‘οδηγό’ της σχετικής νοµοθεσίας. Τέλος, θα βρείτε µια περιεκτική αναφορά της χρήσης των τεχνητών υγροβιότοπων ανά τον κόσµο αλλά και την παρουσίαση άλλων φυσικών συστηµάτων επεξεργασίας υγρών αποβλήτων. ABSTRACT This essay is a presentation and a study about constructed wetlands. A method for wastewater treatment, which in Greece, unlike the rest European countries and America, is little widespread. In particular, in this work we find information and data concerning the design, the consisting parties, the function, the mechanisms of removal of pollutants that occur in constructed wetlands, and a 'map' of the legislation. Finally, we find a comprehensive report on the use of constructed wetlands around the world and the presentation of other natural wastewater treatment systems. 3 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη ΠΡΟΛΟΓΟΣ Στόχος της παρούσας εργασίας είναι µια βιβλιογραφική αναδροµή για την καταγραφή των βασικότερων στοιχείων που αφορούν στους τεχνητούς υγροβιότοπους, καθώς θεωρούνται µία από τις πιο «οικολογικές» µεθόδους επεξεργασίας υγρών αποβλήτων. Στην προσπάθεια να επιτευχθεί ο στόχος που προαναφέρθηκε, γίνεται αρχικά καταγραφή των τύπων των τεχνητών υγροβιότοπων αλλά και της χρήσης τους ανά τον κόσµο (Κεφάλαιο 1). Στο 2ο κεφάλαιο γίνεται εστίαση στα βασικά στοιχεία σχεδιασµού των τεχνητών υγροβιότοπων, όπως είναι: α) η επιλογή της τοποθεσίας, που εξαρτάται από κλιµατολογικές, εδαφολογικές και γεωλογικές παραµέτρους, και β) κατασκευαστικά στοιχεία και χαρακτηριστικά, όπως είναι για παράδειγµα η γεωµετρία και η έκταση λεκάνης, που πρέπει να λαµβάνονται υπ’ όψιν στον σχεδιασµό και την δηµιουργία τεχνητών υγροβιότοπων. Στο 3ο κεφάλαιο γίνεται εκτενής αναφορά στην χλωρίδα (είδη χρησιµοποιούµενων φυτών, φύτευση κ.α.), την πανίδα και τους µικροοργανισµούς των τεχνητών υγροβιότοπων. Στο 4ο κεφάλαιο γίνεται καταγραφή των µαθηµατικών τύπων που διέπουν τον σχεδιασµό και την λειτουργία των υγροβιότοπων καθώς και µια περιεκτική αναφορά των επιµέρους σταδίων επεξεργασίας αλλά και των τρόπων διάθεσης των επεξεργασµένων λυµάτων. Στο 5ο κεφάλαιο αναφέρονται οι φυσικοχηµικοί και βιολογικοί µηχανισµοί επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων και οι χηµικές αντιδράσεις που λαµβάνουν χώρα στον υγροβιότοπο. Στο 6ο κεφάλαιο γίνεται αναφορά και περιεκτική περιγραφή άλλων φυσικών συστηµάτων επεξεργασίας υγρών αποβλήτων. Τέλος, στο 7ο κεφάλαιο γίνεται αναφορά του Γερµανικού Κανονισµού ATV - Α262 καθώς και της Ελληνικής και Ευρωπαϊκής νοµοθεσίας που αναφέρεται στους τεχνητούς υγροβιότοπους. Ο λόγος της καταγραφής του Γερµανικού Κανονισµού είναι η σηµαντικότητα του περιεχοµένου του, καθώς αποτελεί σηµείο αναφοράς στη δηµιουργία και διαχείριση των φυσικών συστηµάτων. 4 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ ΠΕΡΙΛΗΨΗ ABSTRACT ΠΡΟΛΟΓΟΣ 2 3 4 5 1. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑ∆ΡΟΜΗ 7 7 9 10 11 13 15 1.1 1.2 1.3 1.4 ΙΣΤΟΡΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΦΥΣΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΥΓΡΟΒΙΟΤΟΠΟΙ- ΟΡΙΣΜΟΣ ΦΥΣΙΚΟΙ ΥΓΡΟΒΙΟΤΟΠΟΙ (Natural wetlands) ΤΕΧΝΗΤΟΙ ΥΓΡΟΒΙΟΤΟΠΟΙ (constructed wetlands) 1.4.1 Τεχνητοί υγροβιότοποι επιφανειακής ροής ( FWS) 1.4.2 Τεχνητοί υγροβιότοποι υπόγειας ροής (SFS) 1.4.2.1 Τεχνητοί υγροβιότοποι κατακόρυφης υπόγειας ροής (Vertical flow subsurface constructed wetlands) 1.4.2.2 Τεχνητοί υγροβιότοποι οριζόντιας υπόγειας ροής (Vertical flow subsurface constructed wetlands) 1.5 1.6 ΧΡΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΤΕΧΝΗΤΩΝ ΥΓΡΟΒΙΟΤΟΠΩΝ ΣΕ ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΚΛΙΜΑΚΑ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΤΕΧΝΗΤΩΝ ΥΓΡΟΒΙΟΤΟΠΟΩΝ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑ∆Α 2. ΓΕΝΙΚΟΣ ΣΧΕ∆ΙΑΣΜΟΣ 2.1 2.2 ΕΚΤΙΜΗΣΕΙΣ ΣΧΕ∆ΙΑΣΜΟΥ ΣΧΕ∆ΙΑΣΜΟΣ 2.3 ΕΠΙΛΟΓΗ ΤΟΠΟΘΕΣΙΑΣ 2.2.1 Βασικά βήµατα σχεδιασµού 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 2.4 2.5 2.6 Χρήση και προσβασιµότητα γης ∆ιαθεσιµότητα οικοπέδου Τοπογραφία Εδαφολογία Υδρολογία Κλίµα ΣΧΕ∆ΙΑΣΜΟΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΓΕΝΙΚΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ 3. ΧΛΩΡΙ∆Α ΚΑΙ ΠΑΝΙ∆Α ΣΤΟΥΣ ΤΕΧΝΗΤΟΥΣ ΥΓΡΟΒΙΟΤΟΠΟΥΣ 3.1 3.2 3.3 ΧΛΩΡΙ∆Α ΠΑΝΙ∆Α ΜΙΚΡΟΒΙΑΚΟΙ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ 4. ΜΟΝΤΕΛΑ ΣΧΕ∆ΙΑΣΜΟΥ ΤΕΧΝΗΤΩΝ ΥΓΡΟΒΙΟΤΟΠΩΝ 4.1 4.2 4.3 4.4 ΓΕΝΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙ ΣΧΕ∆ΙΑΣΜΟΥ ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΣΧΕ∆ΙΑΣΜΟΥ ΤΕΧΝΗΤΩΝ ΥΓΡΟΒΙΟΤΟΠΩΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΡΟΗΣ ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΣΧΕ∆ΙΑΣΜΟΥ ΤΕΧΝΗΤΩΝ ΥΓΡΟΒΙΟΤΟΠΩΝ ΥΠΟΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΗΣ ΡΟΗΣ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΣΤΑ∆ΙΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ 4.4.1 Φρεάτιο εισόδου 4.4.2 Σηπτική δεξαµενή 16 18 19 20 24 24 25 26 26 27 27 28 28 29 29 29 32 33 37 37 43 44 46 46 49 54 55 56 57 5 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Μονάδα εξουδετέρωσης οσµαερίων σηπτικής δεξαµενής Βιολογική επεξεργασία ∆εξαµενή τροφοδοσίας αµµόφιλτρου Φίλτρο άµµου µε επανακυκλοφορία (recirculating sand filter) Φρεάτιο τροφοδοσίας & Παράκαµψης τεχνητού υγροβιότοπου (BY-PASS) 4.4.8 Απολύµανση (χλωρίωση) της εκροής 4.4.9 ∆εξαµενή αποθήκευσης της εκροής 4.4.10 Κτίριο διοίκησης 4.4.3 4.4.4 4.4.5 4.4.6 4.4.7 4.5 ∆ΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ ∆ΙΑΘΕΣΗΣ ΤΩΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΜΕΝΩΝ ΛΥΜΑΤΩΝ 5. ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΡΥΠΩΝ ΣΤΟΥΣ ΤΕΧΝΗΤΟΥΣ ΥΓΡΟΒΙΟΤΟΠΟΥΣ 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ BOD/ άνθρακα ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΟΛΙΚΩΝ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΣΤΕΡΕΩΝ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΑΖΩΤΟΥ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΦΩΦΣΟΡΟΥ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΠΑΘΟΓΟΝΩΝ ΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΜΕΤΑΛΛΩΝ ΑΛΛΑ ΟΡΓΑΝΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗΣ ΡΥΠΑΝΤΩΝ 6. ΑΛΛΑ ΦΥΣΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΒΡΑ∆ΕΙΑΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ (Slow-rate systems) ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΑΧΕΙΑΣ ∆ΙΗΘΗΣΗΣ (Rapid Infiltration) ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΡΟΗΣ (Overland Flow systems) ΛΙΜΝΕΣ ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΣΗΣ (Stabilization Ponds) ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΙΠΛΕΟΝΤΩΝ Υ∆ΡΟΧΑΡΩΝ ΦΥΤΩΝ (Floating aquatic plant systems) Υ∆ΑΤΟΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ 7. ΝΟΜΟΘΕΣΙΑ 7.1 7.2 O ΓΕΡΜΑΝΙΚΟΣ ΚΑΝΟΝΙΣΜΟΣ ATV - Α262 ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΛΥΜΑΤΩΝ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟ∆Ο ΤΩΝ ΤΕΧΝΗΤΩΝ ΥΓΡΟΒΙΟΤΟΠΩΝ ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΚΑΙ ΕΥΡΩΠΑΪΚΗ ΝΟΜΟΘΕΣΙΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. 2. 3. 4. ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΞΕΝΟΓΛΩΣΣΗ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΑ ΑΡΘΡΑ ∆ΙΚΤΥΑΚΟΙ ΤΟΠΟΙ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΑ 1. 2. 3. 4. ΣΥΝΤΟΜΟΓΑΦΙΕΣ ΛΙΣΤΑ ΕΙΚΟΝΩΝ ΛΙΣΤΑ ΠΙΝΑΚΩΝ ΛΙΣΤΑ ΣΧΗΜΑΤΩΝ 61 63 63 63 64 65 67 68 68 72 73 74 76 80 82 83 83 84 85 85 86 86 87 88 88 90 90 93 94 94 96 97 98 99 99 99 100 100 6 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη 1. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑ∆ΡΟΜΗ 1.1 ΙΣΤΟΡΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΦΥΣΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ Όσον αφορά στην ιστορική ανάπτυξη των φυσικών συστηµάτων επεξεργασίας υγρών αποβλήτων, θα πρέπει να σηµειωθεί ότι οι Μινωΐτες υδραυλικοί γνώριζαν βασικές αρχές της υδραυλικής και υγειονοµικής µηχανικής κατασκευάζοντας εγκαταστάσεις αποχέτευσης στα Μινωικά Παλάτια (3000 έως 1100 π.Χ.) µε υψηλά κατασκευαστικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά. Επίσης, διατυπώνεται η άποψη ότι κατά το Μινωικό πολιτισµό γινόταν εφαρµογή υγρών αποβλήτων στο έδαφος µε σκοπό την άρδευση και την επεξεργασία τους. Ουσιαστικά, η εφαρµογή φυσικών συστηµάτων επεξεργασίας στις ΗΠΑ και άλλες χώρες χρονολογείται από τη δεκαετία του 1870. Όπως στην Ευρώπη, έτσι και στις ΗΠΑ και άλλες περιοχές η «γεωργία µε λύµατα» (sewage farming) έγινε γνωστή ως µια πρώτη προσπάθεια ελέγχου της υδατικής ρύπανσης. Στο πρώτο µισό του εικοστού αιώνα, αυτά τα συστήµατα αντικαταστάθηκαν είτε µε επιτόπια συστήµατα επεξεργασίας είτε µε: α) εφαρµογή σε ειδικές γεωργικές εκµεταλλεύσεις (φάρµες), όπου οι επεξεργασµένες εκροές χρησιµοποιούνταν για φυτική παραγωγή, β) συστήµατα άρδευσης διαφόρων περιβαλλόντων και κοινόχρηστων χώρων και γ) εγκαταστάσεις εµπλουτισµού υπόγειων υδροφορέων. Αυτά τα σχετικά νέα συστήµατα επεξεργασίας τείνουν να επικρατήσουν κυρίως στις δυτικές και νότιες πολιτείες των ΗΠΑ, όπου η αξία του νερού των υγρών αποβλήτων αποτελούσε ένα πρόσθετο πλεονέκτηµα. Με την ψήφιση νοµοθεσίας στις ΗΠΑ που αφορά στο καθαρό νερό στις αρχές της δεκαετίας του 1970 το ενδιαφέρον για τα φυσικά συστήµατα επεξεργασίας, που βασίζονται στο έδαφος, έχει αναθεωρηθεί σηµαντικά, ως αποτέλεσµα της έµφασης που δίνεται στην επαναχρησιµοποίηση του νερού, της ανακύκλωσης του νερού, των θρεπτικών στοιχείων και τη χρησιµοποίηση των υγρών αποβλήτων για την άρδευση φυτικών καλλιεργειών. Συγχρόνως, άρχισε να παρέχεται νοµοθετικά οικονοµική υποστήριξη για έρευνα και ανάπτυξη τεχνολογίας στα αντικείµενα των φυσικών συστηµάτων επεξεργασίας. Αυτό οδήγησε στην ισότιµη αναγνώρισή της, ως τεχνικής διαχείρισης στον τοµέα µηχανικής υγρών αποβλήτων. Στη χώρα µας στην αρχή του 20ου αιώνα, µερικές πόλεις και βιοµηχανίες άρχισαν να αναγνωρίζουν ότι η απόρριψη των λυµάτων άµεσα σε ρεύµατα προκαλούσε εκτός από προβλήµατα υγείας, την υποβάθµιση υδατικών πόρων και αυτό οδήγησε στην κατασκευή εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυµάτων. Στην ίδια χρονική περίοδο, η σηπτική δεξαµενή εισήχθη ως µέσο διαχείρισης των οικιακών λυµάτων από τις µεµονωµένες οικογένειες τόσο στις προαστιακές όσο και στις αγροτικές περιοχές. Εντούτοις, και λόγω των αρκετά µεγάλων κοινωνικών και οικονοµικών προβληµάτων και της απουσίας δηµόσιας αντίληψης στα περιβαλλοντικά ζητήµατα, κατά τη διάρκεια του πρώτου µισού του 20ού αιώνα, λίγοι δήµοι και βιοµηχανίες προέβλεπαν επεξεργασία υγρών αποβλήτων. Οι πρώτες προσπάθειες να χρησιµοποιηθεί η βλάστηση υγροβιότοπων για την αποµάκρυνση διάφορων ρύπων από το νερό διεξήχθησαν από τον Seidel στη Γερµανία στις αρχές του 1950. Ο πρώτος πλήρους κλίµακας ελεύθερης επιφάνειας (FWS, surface flow) τεχνητός υγροβιότοπος κατασκευάσθηκε στην Ολλανδία για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων από τοποθεσία κατασκηνώσεων κατά τη διάρκεια της περιόδου 1967-1969. Εντός πολλών ετών, κατασκευάσθηκαν περίπου 20 τεχνητοί υγροβιότοποι επιφανειακής ροής στην Ολλανδία. 7 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Εντούτοις, οι υγροβιότοποι επιφανειακής ροής δε διαδόθηκαν σε ολόκληρη την Ευρώπη, αλλά αυτοί µε οριζόντια υπόγεια ροή έγιναν ο κύριος τύπος τεχνητών υγροβιότοπων στην Ευρώπη. Ο πρώτος πλήρους κλίµακας οριζόντιας υπόγειας ροής τεχνητός υγροβιότοπος κατασκευάσθηκε το 1974 στο Othfresen στη Γερµανία. Οι πρώτοι τεχνητοί υγροβιότοποι οριζόντιας ροής στη Γερµανία και τη ∆ανία χρησιµοποίησαν επικρατέστερα βαρέα εδάφη, συχνά µε υψηλό περιεχόµενο αργίλου. Αυτά τα συστήµατα έχουν πολύ υψηλή αποτελεσµατικότητα επεξεργασίας, αλλά λόγω της χαµηλής υδραυλικής διαπερατότητας, συµβαίνουν εµφράξεις σε σύντοµο χρονικό διάστηµα και τα συστήµατα µοιάζουν περισσότερο ή λιγότερο µε συστήµατα ελεύθερης επιφάνειας. Στο τέλος της δεκαετίας του 1980 στο Ηνωµένο Βασίλειο, το έδαφος αντικαταστάθηκε µε χοντρά υλικά (χαλίκι που είχε υποστεί απόπλυση) και αυτή η δοµή θεωρείται επιτυχηµένη από τότε. Τη δεκαετία του 1980, η τεχνολογία επεξεργασίας τεχνητών υγροβιότοπων ταχύτατα διαδόθηκε σε όλο τον κόσµο. Τη δεκαετία του 1990, η αυξανόµενη απαίτηση για αποµάκρυνση θρεπτικών από υγρά απόβλητα οδήγησαν σε µεγαλύτερη χρήση κατακόρυφης ροής τεχνητών υγροβιότοπων που εξασφαλίζουν µεγαλύτερο βαθµό οξυγόνωσης της κλίνης φίλτρανσης και απορρέουσα αποµάκρυνση αµµωνίας µέσω νιτροποίησης. Στα τέλη του 1990, η ανικανότητα να παρουσιάζεται ταυτόχρονα νιτροποίηση και απονιτροποίηση σε ένα απλό οριζόντιας ή κατακόρυφης ροής τεχνητό υγροβιότοπο και κατά συνέπεια η ελλιπής αποµάκρυνση ολικού αζώτου οδήγησε στην χρήση υβριδικών συστηµάτων που συνδυάζουν διάφορους τύπους τεχνητών υγροβιότοπων. Η γενική ιδέα του συνδυασµού διαφόρων τύπων κλινών φίλτρανσης στην πραγµατικότητα προτάθηκε από το Seidel στη Γερµανία τη δεκαετία του 1960, µόνο ελάχιστα πλήρους κλίµακας συστήµατα κατασκευάσθηκαν (π.χ. Saint Bohaire στη Γαλλία ή Oaklands Park στο Ηνωµένο Βασίλειο) τη δεκαετία του 1980 και στις αρχές του 1990. Στις µέρες µας, υβριδικοί τεχνητοί υγροβιότοποι συνήθως χρησιµοποιούνται σε ολόκληρη την Ευρώπη, όπως και σε άλλα µέρη του κόσµου Η κύρια δοµή που εµφανίζεται είναι συνδυασµός κατακόρυφης– οριζόντιας ροής (VF– HF). Επίσης χρησιµοποιείται ο συνδυασµός οριζόντιας– κατακόρυφης ροής (HF–VF), ενώ και οι ελεύθερης επιφάνειας τεχνητοί υγροβιότοποι χρησιµοποιούνται σε υβριδικά συστήµατα. Τις δεκαετίες του 1970 και 1980, οι τεχνητοί υγροβιότοποι κατασκευάζονταν σχεδόν αποκλειστικά για την επεξεργασία οικιακών ή δηµοτικών αποβλήτων. Από τη δεκαετία του 1990, χρησιµοποιούνται για όλα τα είδη υγρών αποβλήτων που περιλαµβάνουν στραγγίσµατα εδαφικών εκτάσεων, απορροές (π.χ. αστικές, από δρόµους και αγροτικές), τροφικές διαδικασίες (π.χ. οινοποιία, παραγωγή τυριού και γάλακτος), βιοµηχανικά (π.χ. χηµικά, εργοστάσια χαρτοποιίας και διυλιστήρια πετρελαίου), αγροκτήµατα, αποστραγγίσεις ορυχείων ή αφυδάτωση ιλύος. Ο κύριος στόχος της επεξεργασίας ρυπασµένων υδάτων είναι γενικά να επιτραπεί η απόρριψη των δηµοτικών, βιοµηχανικών, αγροτικών αποβλήτων χωρίς τον κίνδυνο στην ανθρώπινη υγεία ή κάποια απαράδεκτη βλάβη και υποβάθµιση στο περιβάλλον. Η διαχείριση των ρυπασµένων υδάτων και µέσω της επεξεργασίας και µέσω της επαναχρησιµοποίησης, είναι µια προϋπόθεση για την προστασία και βιώσιµη χρήση των υδατικών πόρων. Εάν οι µικρές κοινωνίες πρόκειται να καλύψουν τις απαιτήσεις επεξεργασίας υγρών αποβλήτων του µέλλοντος, πρέπει να έχουν τα συστήµατα επεξεργασίας που είναι όχι µόνο αποτελεσµατικά και αξιόπιστα, αλλά και απλά και ανέξοδα, όσον αφορά στην κατασκευή και στη λειτουργία τους (www.wastreat.gr). 8 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη 1.2 ΥΓΡΟΒΙΟΤΟΠΟΙ- ΟΡΙΣΜΟΣ Ως υγροβιότοποι ορίζονται περιοχές οι οποίες είτε πληµµυρίζουν από επιφανειακό νερό ,είτε τα εδάφη τους βρίσκονται σε κατάσταση κορεσµού λόγω της υψηλής στάθµης του υπόγειου νερού, τόσο συχνά και µε τέτοια διάρκεια, ώστε να έχουν χαρακτηριστικά εδάφη, να υποστηρίζουν βλάστηση που έχει προσαρµοσθεί σε υγρές συνθήκες και να λαµβάνουν χώρα σε αυτές τις περιοχές βιολογικές λειτουργίες και δραστηριότητες προσαρµοσµένες στο υγρό περιβάλλον (Εικόνα 1.1). Θεωρούνται µεταξύ των σπουδαιότερων οικοσυστηµάτων του πλανήτη, καθώς παρέχουν το περιβάλλον διαβίωσης για µια µεγάλη ποικιλία ειδών πανίδας και χλωρίδας, επιτρέπουν την πραγµατοποίηση πολύτιµων διεργασιών των υδρολογικών και χηµικών κύκλων µε τελικό αποτέλεσµα τον καθαρισµό των ρυπασµένων υδάτων, συµβάλλουν στην αποτροπή πληµµύρων, στην προστασία των ακτογραµµών και στην επαναφόρτιση των υπόγειων υδροφορέων, παρουσιάζοντας σηµαντική οικονοµική αξία στην παραγωγή τροφής και ενέργειας (Prescott and Tsanis, 1997). Οι υγροβιότοποι αποτελούν τµήµατα του εδάφους κατακλυσµένα µε νερό, συνήθως µικρού βάθους (µικρότερο των ο,6 m), στα οποία αναπτύσσονται διάφορα είδη φυτών, όπως: καλάµια, διάφορα είδη κύπερης, βούρλων, ψαθιού και αφράτου. Η φυτική βλάστηση προσφέρει το βασικό υπόστρωµα ανάπτυξης των βακτηριακών µεµβρανών, βοηθά στη διήθηση και την προσρόφηση συστατικών των αποβλήτων, µεταφέρει οξυγόνο στη µάζα του νερού και περιορίζει την ανάπτυξη αλγών µε τον έλεγχο της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Στην επεξεργασία των ρυπασµένων υδάτων έχουν χρησιµοποιηθεί τόσο τεχνητοί, όσο και φυσικοί υγροβιότοποι. Οι φυσικοί όµως υγροβιότοποι έχουν περιορισµένη χρήση που συνίσταται στην αποδοχή και/ ή περαιτέρω επεξεργασία εκροών δευτεροβάθµιας ή ακόµη προωθηµένης επεξεργασίας (Αγγελάκης και Tchobanoglous, 1995). Εικόνα 1.1 Υγροβιότοπος (Πηγή: en.Wikipedia.org/wiki/File:Reed beach_edit1.JPG) 9 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη 1.3 ΦΥΣΙΚΟΙ ΥΓΡΟΒΙΟΤΟΠΟΙ (Natural wetlands) Οι φυσικοί υγροβιότοποι θεωρούνται από τα πιο σηµαντικά οικοσυστήµατα του πλανήτη. Εντούτοις, η σπουδαιότητα τους δεν αναγνωρίσθηκε παρά µόνο τα τελευταία χρόνια, ενώ παλαιότερα συχνά καταστρέφονταν µε σκοπό την επέκταση αστικών και αγροτικών περιοχών. Έτσι, έχει χαθεί ένα µεγάλο µέρος τους, κάτι που επέφερε δραµατικές επιπτώσεις και στην εξαιρετική ποικιλία πανίδας και χλωρίδας που αναπτύσσεται σε αυτούς (Τσιχριντζής, 2000). Στις ΗΠΑ υπολογίζεται ότι έχει καταστραφεί το 35 έως το 50% των φυσικών υγροβιότοπων λόγω αποστράγγισης ή επιχωµάτωσης της επιφάνειας έκτασης που καταλάµβαναν. Τα τελευταία έτη, οι φυσικοί υγροβιότοποι προστατεύονται µέσω διεθνών συµβάσεων, όπως είναι η συνθήκη Ramsar (www.ramsar.org) και η ∆ιάσκεψη του Ρίο για το Περιβάλλον και την Ανάπτυξη (Agenda 21)(www.un.org), οι οποίες έχουν προσυπογραφεί από την Ευρωπαϊκή Ένωση και την Ελλάδα. Έτσι, η οποιαδήποτε µετατροπή της υδρολογικής κατάστασης κάποιου φυσικού υγροβιότοπου είναι εξαιρετικά δύσκολο να λάβει χώρα (Τσιχριντζής 2000). Οι περισσότεροι φυσικοί υγροβιότοποι είναι συστήµατα επιφανειακής ροής που περιλαµβάνουν βαλτώδη βλάστηση (βασική βλάστηση βρύων, βλάστηση γρασιδιού και αναδυόµενα µικρόφυτα) (US.EPA, 2000). Οι φυσικοί υγροβιότοποι µπορούν να θεωρηθούν ως υδατικοί αποδέκτες. Υπάρχουν σχετικά λίγα παραδείγµατα φυσικών υγροβιότοπων για επεξεργασία ρυπασµένου ύδατος στις ΗΠΑ. Επειδή κάθε εκροή σε ένα φυσικό υγροβιότοπο πρέπει να ικανοποιεί τα όρια του Εθνικού Μολυσµατικού Συστήµατος Απαλλαγής Αποβολών (NPDES), αυτοί οι υγροβιότοποι χρησιµοποιούνται τυπικά για προχωρηµένη επεξεργασία (US.EPA, 2000). Τροποποιήσεις σε υπάρχοντες υγροβιότοπους µε σκοπό τη βελτίωση των συνθηκών επεξεργασίας πρέπει γενικά να αποφεύγονται, γιατί είναι πιθανόν να προξενήσουν προβλήµατα στο οικοσύστηµα (Αγγελάκης και Tchobanoglous, 1995). Στην πλειονότητα των Πολιτειών των ΗΠΑ δε γίνεται διάκριση µεταξύ ενός υγροβιότοπου και των γειτονικών επιφανειακών νερών και παρουσιάζονται οι ίδιες απαιτήσεις και στα δύο. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, από οικονοµικής απόψεως δεν ευνοείται η χρησιµοποίηση φυσικών υγροβιότοπων στη διαδικασία επεξεργασίας υγρών αποβλήτων, αφού η βασική επεξεργασία πρέπει παρασχεθεί πριν την απόρριψη στον υγροβιότοπο (Αγγελάκης και Tchobanoglous, 1995). Η χρήση φυσικών υγροβιότοπων για άµεση επεξεργασία λυµάτων επιπλέον δηµιουργεί προβλήµατα µηχανικής απόψεως, έχοντας επιπτώσεις στην απόδοση του συστήµατος. Το υδραυλικό καθεστώς στους περισσότερους φυσικούς υγροβιότοπους έχει αναπτυχθεί για ένα µεγάλο χρονικό διάστηµα, το µεγαλύτερο µέρος της περιοχής µπορεί να είναι «υγρό». Όµως λόγω της δηµιουργίας καναλιών στη ροή, το µεγαλύτερο κοµµάτι της ροής διαµέσου του υγροβιότοπου εµφανίζεται διαµέσου ενός σχετικά µικρού µέρους της συνολικής περιοχής. Στην ακραία περίπτωση, µόνο το 10% της επιφάνειας του υγροβιότοπου ίσως έλθει σε επαφή µε τα λύµατα που εισάγονται στον υγροβιότοπο, οπότε µόνο το 10% της συνολικής περιοχής µπορεί να θεωρηθεί ως αποτελεσµατικό στην επεξεργασία. Θεωρείται απίθανο να διορθωθεί το πρόβληµα αυτό µε ισοπέδωση του εδάφους ή κάποια άλλη δραστηριότητα του µηχανικού και να συνεχίζει να συντηρείται η αξία που είχε αρχικά ο φυσικός υγροβιότοπος (Βαρκάς, 2007). 10 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη 1.4 ΤΕΧΝΗΤΟΙ ΥΓΡΟΒΙΟΤΟΠΟΙ (constructed wetlands) Οι τεχνητοί υγροβιότοποι αποτελούν µια σχετικά νέα τεχνολογία επεξεργασίας υγρών αποβλήτων, που βασίζεται στη χρησιµοποίηση φυτών που αναφύονται, όπως: νεροκάλαµα, βούρλα και ψαθί. Σε τέτοια συστήµατα η εφαρµογή αποβλήτου λαµβάνει χώρα πάνω ή κάτω από την επιφάνεια του εδάφους (Reed et al.,1984). Η δηµιουργία και η απόδοση των υγροβιότοπων πρέπει να πραγµατοποιείται µέσω οικολογικά υγιών τρόπων. Η δηµιουργία υγροβιότοπου αναφέρεται στην κατασκευή του σε µια περιοχή όπου δεν υπήρχε υγροβιότοπος προηγουµένως. Οι τεχνητοί υγροβιότοποι δεν έχουν υπολογισθεί µε ακρίβεια στις ΗΠΑ, αλλά πιθανότατα είναι χιλιάδες (Mitsch, 1992). Οι υγροβιότοποι θεωρούνται χαµηλού κόστους εναλλακτικές λύσεις για την επεξεργασία δηµοτικών, βιοµηχανικών και αγροτικών υγρών αποβλήτων. Οι τεχνητοί υγροβιότοποι προτιµώνται επειδή έχουν περισσότερα µηχανικά συστήµατα και είναι ευκολότερο να ελεγχθούν (Kadlec, 1995; Ayaz and Akca, 2001). Αυτή η νέα αναπτυσσόµενη τεχνολογία µπορεί να παρέχει χαµηλό κόστος και µικρές απαιτήσεις συντήρησης στην επεξεργασία υγρών αποβλήτων, χαρακτηριστικά που είναι ιδιαίτερα σηµαντικά στις αναπτυσσόµενες χώρες (Haberl et al., 1995; Hammer,1989; Ayaz and Akca, 2001). Η κατασκευή ενός υγροβιότοπου σε µια περιοχή, επιτρέπει την αποφυγή ρυθµίσεων και περιβαλλοντικών εµπλοκών που συνδέονται µε τη διάθεση εκροών σε φυσικά οικοσυστήµατα (όπως θεωρούνται οι φυσικοί υγροβιότοποι) και επιτρέπουν το σχεδιασµό του υγροβιότοπου µε αποκλειστικό σκοπό τη βέλτιστη επεξεργασία των ρυπασµένων υδάτων. Τυπικά, ένας τεχνητός υγροβιότοπος αποδίδει περισσότερο σε σχέση µε ένα φυσικό ίσης έκτασης, εφόσον το έδαφος έχει προσεκτικά ισοπεδωθεί και στο υδραυλικό καθεστώς του συστήµατος πραγµατοποιείται σωστός έλεγχος. Η αξιοπιστία ενός τεχνητού υγροβιότοπου αυξάνεται εφόσον η βλάστηση και τα άλλα µέρη του συστήµατος µπορούν να υποστούν την απαραίτητη διαχείριση, ώστε η απόδοσή του να βελτιστοποιηθεί (Bendoricchio et al., 2000). Οι τεχνητοί υγροβιότοποι, όπως όλα τα φυσικά συστήµατα επεξεργασίας, βασίζονται (σε µικρό ή µεγάλο βαθµό) στις ανανεώσιµες πηγές ενέργειας, περιλαµβάνοντας την ηλιακή ακτινοβολία, την κινητική ενέργεια του ανέµου, την ενέργεια του νερού της βροχής, το επιφανειακό νερό, το έδαφος και την αποθήκευση ενδεχόµενης ενέργειας σε βιοµάζα στα εδάφη (Ζουραράκη, 2002). Οι τεχνητοί υγροβιότοποι σήµερα χρησιµοποιούνται για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων, αποστραγγίσεων ορυχείων, αστικών απορροών, κτηνοτροφικών αποβλήτων, σηπτικών δεξαµενών που έχουν αστοχήσει, αγροτικών απορροών και διαφόρων βιοµηχανικών αποβλήτων. Τέτοια συστήµατα επεξεργασίας εντοπίζονται σε περιοχές που βρίσκονται στο επίπεδο της θάλασσας έως περιοχές υψοµέτρου 1500 µέτρων και από τροπικές έως αρκτικές περιοχές, όπως στο Οντάριο των ΗΠΑ και σε σκανδιναβικές χώρες. Αφού η λειτουργία τους βασίζεται σε χηµικές και βιολογικές διεργασίες, η αποτελεσµατικότητα αποµάκρυνσης ρύπων µειώνεται σε κάποιο βαθµό κατά τη διάρκεια χαµηλών θερµοκρασιών, αλλά τα επίπεδα εκροής παραµένουν ικανοποιητικά κάτω από τα επιτρεπτά όρια (Hammer, 1992). Για την επεξεργασία ρυπασµένων υδάτων έχουν αναπτυχθεί και χρησιµοποιηθεί δύο τύποι τεχνητών υγροβιότοπων: α) Τεχνητοί υγροβιότοποι ελεύθερης επιφάνειας ή επιφανειακής ροής (free water surface systems- FWS) (Σχήµα 1.1 και 1.2) και β) Τεχνητοί υγροβιότοποι υπό-επιφανειακής (ή υπόγειας) ροής (subsurface flow systems- SFS) (Σχήµα 1.2). Επίσης, οι 11 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη τεχνητοί υγροβιότοποι υπόγειας ροής χωρίζονται περαιτέρω σε α) κατακόρυφης και β) οριζόντιας ροής. Τα φυσικά συστήµατα χρησιµοποιούνται ολοένα και περισσότερο για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων στην Ελλάδα. Από τα 300 έργα που λειτουργούν σήµερα στη χώρα το 10% είναι φυσικά συστήµατα και ειδικότερα τεχνητοί υγροβιότοποι. Ο αριθµός των τεχνητών υγροβιότοπων έχει αυξηθεί πολύ τα τελευταία χρόνια διότι έχει αποδειχτεί σαν µια αξιόπιστη λύση για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων σε οικισµούς κάτω των 5.000 ισοδυνάµων κατοίκων (ι.κ.) (Βαρκάς 2007). Σχήµα 1.1 Τεχνητός υγροβιότοπος επιφανειακής ροής (Πηγή: Μάρκου, 2000). Σχήµα 1.2 Σύστηµα υγροβιότοπου FWS (Πηγή: Kapellakis et al., 2004) Σχήµα 1.3 Τεχνητός υγροβιότοπος υπόγειας -οριζόντιας ροής (Πηγή: Μάρκου, 2000) 12 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη 1.4.1 Τεχνητός υγροβιότοπος επιφανειακής ροής ( FWS) Τα συστήµατα επιφανειακής ροής FWS (Σχήµα 1.4) αποτελούνται, συνήθως, από παράλληλες λεκάνες, κανάλια ή τάφρους µε αδιαπέραστους πυθµένες, µε αναφυόµενη φυτική βλάστηση και µικρό βάθος νερού (0,1-0,6 m). Σε τέτοια συστήµατα εφαρµόζονται συνεχώς προεπεξεργασµένα απόβλητα και η περαιτέρω επεξεργασία τους διενεργείται, καθώς η εφαρµοζόµενη εκροή ρέει µε µικρή ταχύτητα διαµέσου των στελεχών και ριζωµάτων της υφιστάµενης φυτικής βλάστησης και του υφιστάµενου υποστρώµατος. Επίσης, τα συστήµατα αυτά µπορούν να σχεδιάζονται µε σκοπό την ευαισθητοποίηση της κοινής γνώµης για την αποδοχή υγροβιότοπων ή ενίσχυση υφιστάµενων φυσικών υγροβιότοπων. Σε τέτοιες περιπτώσεις, αναπτύσσεται ένας συνδυασµός υδατικών επιφανειών, µε βλάστηση και ανοικτών και µικρών νησίδων µε την κατάλληλη βλάστηση και ενίσχυση της ροής του νερού (Αγγελάκης και Tchobanoglous, 1995). Στα συστήµατα FWS κύρια πηγή οξυγόνου είναι η ελεύθερη επιφάνειά του, αλλά η ύπαρξη βιολογικής βλάστησης παρεµποδίζει τον επιφανειακό επαναερισµό, που είναι δυνατό να διενεργείται µε τον άνεµο. Γι’ αυτό θα πρέπει να εφαρµόζονται µικρά οργανικά φορτία. Αντίθετα, η ύπαρξη τους επιδρά ανασταλτικά στην ανάπτυξη αλγών. Η αποµάκρυνση στερεών σε αιώρηση οφείλεται κυρίως στο µηχανισµό της καθίζησης και διενεργείται, κυρίως, σε µικρές αποστάσεις από το σηµείο εισροής του αποβλήτου στο σύστηµα. Η αποµάκρυνση του αζώτου οφείλεται, κυρίως, στις διεργασίες νιτροποίησηςαπονιτροποίησης και λιγότερο στην πρόσληψή του από τα φυτά και γι’ αυτό εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από την ταχύτητα εφαρµογής του οργανικού φορτίου και το χρόνο συγκράτησης. Ακόµη και όταν τα φυτά που χρησιµοποιούνται συγκοµίζονται περιοδικά, η αποµάκρυνση του αζώτου η οφειλόµενη στην πρόσληψή του από τα φυτά, αντιπροσωπεύει ένα ποσοστό 10-15% της συνολικής αποµάκρυνσής του. Τέλος, η αποµάκρυνση του φωσφόρου σε τέτοια συστήµατα είναι περιορισµένη, εξαιτίας της περιορισµένης επαφής του αποβλήτου µε το έδαφος (Σωτηροπούλου, 2008). Τα τελευταία χρόνια έχει αποδειχθεί ότι οι τεχνητοί υγροβιότοποι αποτελούν αξιόπιστη τεχνολογία για την επεξεργασία ρυπασµένου ύδατος, ειδικά για περιοχές µε µικρό πληθυσµό. Συγκρινόµενοι µε τα συµβατικά συστήµατα βιολογικού καθαρισµού οι τεχνητοί υγροβιότοποι επιφανειακής ροής παρουσιάζουν συγκεκριµένα πλεονέκτηµα (US.EPA, 2000): • Τα συστήµατα υγροβιότοπων επιφανειακής ροής παρέχουν αποτελεσµατική επεξεργασία µε παθητικό τρόπο, ελαχιστοποιώντας το µηχανικό εξοπλισµό , την ενέργεια και εξειδικευµένους εξοπλισµούς για τον χειριστή. • Τα συστήµατα υγροβιότοπων επιφανειακής ροής είναι λιγότερο ακριβά στην κατασκευή και κοστίζουν λιγότερο στο χειρισµό και στη συντήρηση. • Η λειτουργία τους καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους για δευτερογενή επεξεργασία είναι πιθανή σε όλους τους κλιµατικούς τύπους, εκτός των ιδιαίτερα ψυχρών κλιµάτων. Η λειτουργία τους καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους για προχωρηµένη ή τριτογενή επεξεργασία είναι πιθανή σε θερµά έως µέτρια κλίµατα. • Τα συστήµατα αυτά εξασφαλίζουν πολύτιµη προσθήκη στο «πράσινο» σε µια κοινωνία και περιέχουν τη συγχώνευση περιβάλλοντος και επαρκή ψυχαγωγία του κοινού. 13 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη • ∆εν παράγουν υπολείµµατα βιοστερεών ή ιλύος που απαιτούν επιπρόσθετη επεξεργασία ή απόθεση. • Η σύλληψη και η κατασκευή µικρών ΜΕΑΛ (Μονάδες Επεξεργασίας Αστικών Λυµάτων) µε φυσικά συστήµατα, χρησιµοποιώντας τεχνητούς υγροβιότοπους επιφανειακής ροής (FWS), µπορεί να θεωρηθεί σαν µια αξιόπιστη λύση για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων σε οικισµούς κάτω των 5.000 ι.κ. και επιτυχηµένη για τις περιπτώσεις που έχει εφαρµοστεί και σε τοπικό επίπεδο. Ωστόσο, παρουσιάζουν και ορισµένα µειονεκτήµατα σε σχέση µε τα συµβατικά συστήµατα (US.EPA, 2000): • Η έκταση της γης που απαιτείται για υγροβιότοπους επιφανειακής ροής πρέπει να είναι µεγάλη, ειδικά όταν απαιτείται αποµάκρυνση αζώτου ή φωσφόρου. Η απαίτηση έκτασης για διαφορετικές διατάξεις και διαφορετικούς σκοπούς επεξεργασίας (αποµάκρυνση BOD, νιτροποίηση, κτλ.) έχει προσδιορισθεί από τους Cooper and Findlater (1990) ότι κυµαίνεται από 1,3 έως 10,3 m2/άτοµο (1 m2/άτοµο για αποµάκρυνση BOD και 2 m2/άτοµο για αποµάκρυνση BOD και νιτροποίηση) • Η αποµάκρυνση BOD, COD και αζώτου είναι βιολογικές διαδικασίες και κατά βάση διαρκώς ανανεώνονται. Ο φώσφορος, τα µέταλλα και ορισµένα επίµονα οργανικά αποµακρυνόµενα από το σύστηµα κατευθύνονται στα ιζήµατα του υγροβιότοπου και συσσωρεύονται µε το πέρασµα του χρόνου. • Σε ψυχρά κλίµατα, οι χαµηλές χειµερινές θερµοκρασίες περιορίζουν το ρυθµό αποµάκρυνσης του BOD και τις βιολογικές αντιδράσεις που είναι υπεύθυνες για νιτροποίηση και απονιτροποίηση. Ο αυξηµένος χρόνος κράτησης µπορεί να αντισταθµίσει αυτό, αλλά τότε το ιδιαίτερα µεγάλο µέγεθος του υγροβιότοπου πιθανόν να είναι αναποτελεσµατικό όσον αφορά το κόστος ή να είναι τεχνικά ανέφικτο. • Το µεγαλύτερο µέρος του νερού στην πλειονότητα των συστηµάτων είναι κατά βάση ανοξικό, κάτι που περιορίζει την τάση για ταχεία βιολογική νιτροποίηση της αµµωνίας. • Κουνούπια και άλλα έντοµα που είναι φορείς ασθενειών µπορούν να αποτελέσουν πρόβληµα. • Ο πληθυσµός των πτηνών σε ένα τεχνητό υγροβιότοπο µπορεί να επιφέρει δυσµενείς επιπτώσεις αν βρίσκεται αεροδρόµιο κοντά. 14 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Σχήµα 1.4 Σχηµατική παρουσίαση συστηµάτων επιφανειακής ροής (FWS) (Πηγή: Metcalf & Eddy, 1991) 1.4.2 Τεχνητός υγροβιότοπος υπόγειας ροής (SFS) Οι υγροβιότοποι τύπου SFS (Σχήµα 1.5) σχεδιάζονται µε σκοπό την επίτευξη δευτεροβάθµιας ή προωθηµένης επεξεργασίας. Αυτά τα συστήµατα ονοµάζονται επίσης συστήµατα «ριζόσφαιρας» ή «φίλτρων εδάφους-καλαµιών» και αναπτύσσονται µέσα σε κανάλια ή τάφρους µε σχετικά στεγανούς πυθµένες που περιέχουν άµµο ή άλλα γήινα µέσα υποστήριξης της αναπτυσσόµενης (επιφανειακά) φυτικής βλάστησης. Στα συστήµατα αυτά η επιφάνεια του νερού διατηρείται ακριβώς κάτω από την επιφάνεια του εδάφους ή του χρησιµοποιούµενου µέσου. Η επεξεργασία του υγρού αποβλήτου οφείλεται σε φυσικές και βιοχηµικές αποκρίσεις του µέσου, καθώς επίσης στην επαφή του µε το ριζικό σύστηµα των φυτών. Τα επίπεδα αποµάκρυνσης των ρυπαντών είναι ισοδύναµα των συστηµάτων FWS και παρουσιάζουν µειωµένα προβλήµατα, σχετικά µε την ανάπτυξη κουνουπιών και δυσάρεστων οσµών. Για την κατασκευή των υποστρωµάτων χρησιµοποιείται κυρίως έδαφος, άµµος και διάφορα άλλα χονδρόκοκκα ή ακόµη και πλαστικά ή άλλα αδρανή υλικά. Η αποµάκρυνση BOD και στερεών συστατικών σε αιώρηση διενεργείται µε διήθηση, καθίζηση και αποδόµηση από αερόβιους και αναερόβιους µικροοργανισµούς. Η αποµάκρυνση του αζώτου σε τέτοια συστήµατα, διενεργείται µε τους µηχανισµούς νιτροποίησης και απονιτροποίησης. Η αποµάκρυνση του φωσφόρου εξαρτάται, κυρίως, από το χρησιµοποιούµενο υπόστρωµα. Η αποµάκρυνση µετάλλων ποικίλλει και επιτυγχάνεται, κυρίως, µε κατακρήµνιση και προσρόφησή τους. Τέλος η αποµάκρυνση των παθογόνων εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από τη δοµή του υποστρώµατος και την ταχύτητα ροής (Σωτηροπούλου, 2008). Τα πλεονεκτήµατα µιας τέτοιας εγκατάστασης µπορούν να συνοψιστούν στα εξής (EPA, 2002; Σωτηράκης,2003): • Χαµηλό κόστος κατασκευής, λειτουργίας και συντήρησης (δευτεροβάθµια & τριτοβάθµια επεξεργασία) • Μεγάλη διάρκεια ζωής (30 έως 50 χρόνια) • Απλότητα στην λειτουργία 15 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων • • • • • • • • • Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας (το 10% ενός συµβατικού Βιολογικού) Ελάχιστο κόστος συντήρησης (δεν απαιτείται η παρουσία µόνιµου προσωπικού) Η έλλειψη απαίτησης ηλεκτροµηχανολογικού εξοπλισµού ∆υνατότητα επέκτασης οποιαδήποτε χρονική στιγµή (ευελιξία στη διαστασιολόγηση) Σταθερή διαδικασία καθαρισµού ακόµα και σε ακραίες καιρικές συνθήκες ∆εν παρατηρούνται δυσάρεστες οσµές, ούτε προβλήµατα µε κουνούπια λόγω της υπόγειας διάθεσης και επεξεργασίας Αρµονική προσαρµογή στο φυσικό τοπίο Το σύστηµα αφ’ εαυτού εµπεριέχει και τριτοβάθµια επεξεργασία µε ποσοστό απολαβής το 60% του νερού, έτοιµου για άρδευση, οπότε εξασφαλίζεται και η δυνατότητα κατάργησης της χλωρίωσης Η σηµαντική µείωση της ποσότητας της παραγόµενης ιλύος Ενώ τα µειονεκτήµατα της µεθόδου είναι (EPA, 2002; Σωτηράκης,2003): • • Η µεγάλη απαιτούµενη επιφάνεια Η έλλειψη εµπειρίας στη χώρα µας για την κατασκευή τέτοιων εγκαταστάσεων. Σχήµα 1.5 Σχηµατική παρουσίαση συστηµάτων υπόγειας ροής (Πηγή: Metcalf & Eddy, 1991) 1.4.2.1 Τεχνητοί υγροβιότοποι κατακόρυφης υπόγειας ροής (Vertical flow subsurface constructed wetlands) Τα συστήµατα αυτά χαρακτηρίζονται από την κατακόρυφη ροή των προς επεξεργασία λυµάτων µέσα από τις εδαφικές στρώσεις των λεκανών τους. Η λειτουργία τους προσοµοιάζει αρκετά µε το περιοδικό πότισµα µιας γλάστρας στην οποία το νερό αρχικά πληµµυρίζει τη λεκάνη και εν συνεχεία αφήνεται να στραγγίσει. Η αρχή της µεθόδου στηρίζεται στο συνδυασµό της δράσης του εδάφους, των ριζών και των µικροοργανισµών. 16 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Οι λεκάνες στα συστήµατα αυτά κατασκευάζονται µε ένα βάθος περίπου 0,90 έως 1,20 m, µε µια µέση κλίση πυθµένα περίπου 1%. Ο πυθµένας και τα πρανή τους καλύπτονται από γεωµεµβράνη ή κατασκευάζονται από σκυρόδεµα. Στη συνέχεια, γίνεται πλήρωση των λεκανών µε αδρανή υλικά συνολικού βάθους µέχρι ενός µέτρου, µειούµενης κοκκοµετρίας από τον πυθµένα προς την επιφάνεια. Το επιφανειακό στρώµα της λεκάνης, βάθους 10 έως 30 cm, καλύπτεται µε άµµο, µέσα στην οποία φυτεύονται και αναπτύσσονται είδη καλαµιών. Για τη λειτουργία αυτού του συστήµατος οι λεκάνες κατακλύζονται περιοδικά µε µεγάλες παροχές λυµάτων και η ροή γίνεται κατά την κατακόρυφη διεύθυνση. Τα πλεονεκτήµατα αυτού του είδους τεχνητού υγροβιότοπου έναντι των υπολοίπων είναι η απαίτηση µικρότερης έκτασης για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων και η διατήρηση αερόβιων συνθηκών επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων, εξαιτίας της περιοδικής ανάπαυσης και ως εκ τούτου και περιοδικής ξήρανσης κάθε λεκάνης. Αυτό το πλεονέκτηµα των υγροβιότοπων µε περιοδική κατάκλιση αποδίδεται, κυρίως, στις συνθήκες ακόρεστης ροής και επιπρόσθετα στο µεγαλύτερο πάχος της εδαφικής στρώσης των λεκανών, µε το οποίο επιτυγχάνεται ένα επιπρόσθετο φιλτράρισµα των υγρών αποβλήτων (Καραµούζης, 2003). Τα απόβλητα, τα οποία υφίστανται µηχανική προεπεξεργασία σε µια σηπτική δεξαµενή µε τρεις ή τέσσερις θαλάµους, διοχετεύονται µε ένα σύστηµα ειδικών σωληνώσεων σε ένα εδαφικό σώµα που αποτελείται από διαδοχικά στρώµατα άµµου και χαλικιού και είναι φυτεµένο µε µια συγκεκριµένη ποικιλία καλαµιών του είδους Phragmites australis , φυτά αυτοφυή στη χώρα µας. Το σύστηµα σωληνώσεων εγγυάται την ισοµερή διάθεση των λυµάτων στο εδαφικό σώµα για την αποτελεσµατικότερη διήθησή τους, Το ριζικό σύστηµα των φυτών εξασφαλίζει συνεχή αερισµό του εδάφους µέσω του συστήµατος των αγγείων τους, αλλά και εξαιτίας της µείωσης της συνοχής των εδαφικών υλικών µε την ανάπτυξη των διακλαδώσεων τους. Οι µικροοργανισµοί, που φιλοξενούνται στις ρίζες, διασπούν το οργανικό φορτίο των αποβλήτων σε τέτοιο βαθµό ώστε ακόµη και πολύπλοκες, δύσκολα διασπώµενες ενώσεις να αποικοδοµούνται. Καµία ενσωµάτωση ξένων ουσιών δεν παρατηρείται στα φυτά, ούτε συµβαίνει συµφόρηση στο έδαφος. Εν συνεχεία, το επεξεργασµένο νερό συλλέγεται σε συλλεκτήριους σωλήνες, στο κατώτερο µέρος του εδαφικού σώµατος, και οδηγείται σε ένα φρεάτιο ελέγχου όπου µπορεί να ελεγχθεί. Από εκεί, µπορεί να διοχετευτεί στη θάλασσα, σε ποτάµι, λίµνη ή στο έδαφος χωρίς καµία επιβάρυνση στο περιβάλλον, ή, ακόµα, και να αξιοποιηθεί για στάγδην άρδευση (Σωτηροπούλου, 2008). Στις µέρες µας, οι κατακόρυφης ροής τεχνητοί υγροβιότοποι (Σχήµα 1.6) µε διακοπτόµενη τροφοδοσία χρησιµοποιούνται συχνά στην Ευρώπη λόγω των πλεονεκτηµάτων που παρουσιάζουν σε σχέση µε τους άλλους σχεδιασµούς. Οι κατακόρυφης ροής τεχνητοί υγροβιότοποι παρουσιάζουν περισσότερο ισοδύναµη κατανοµή ριζών και επαφή ριζών-νερού και λιγότερα προβλήµατα κακοσµίας και πολλαπλασιασµού εντόµων, αφού δεν έχουν ελεύθερη επιφάνεια νερού. Ακόµη κι αν οι κατακόρυφης ροής τεχνητοί υγροβιότοποι χρησιµοποιούνται κυρίως για αποµάκρυνση COD, TSS και κολοβακτηριδίων, υπάρχει αυξανόµενο ενδιαφέρον στη χρήση τους (IWA, 2000). Για τέτοιες διαδικασίες, τα υποστρώµατα (κορεσµένα µέσα των τεχνητών υγροβιότοπων) θεωρούνται επίσης πολύ σηµαντικά. Με σκοπό τη βελτίωση κατακράτησης φωσφόρου, υποστρώµατα µε µεγαλύτερη ικανότητα προσρόφησης φωσφόρου, µεγαλύτερο περιεχόµενο σε ασβέστιο, σίδηρο και αργίλιο, µεγαλύτερη επιφάνεια σωµατιδίων και κατάλληλη υδραυλική αγωγιµότητα 17 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη χρησιµοποιούνται ευρέως. Για το λόγο αυτό, οι ερευνητές υγροβιότοπων έχουν ξεκινήσει να χρησιµοποιούν βιοµηχανικά παραπροϊόντα, όπως µικρού βάρους τσιµεντολάσπη (LWA, LECA κτλ.) και απορρίµµατα από βιοµηχανίες, όπως και φυσικά υλικά µε υψηλή ικανότητα προσρόφησης (Βαρκάς 2007). Σχήµα 1.6 Τεχνητός υγροβιότοπος υπόγειας -κατακόρυφης ροής (Πηγή: www.uvm.edu). 1.4.2.2 Τεχνητοί υγροβιότοποι οριζόντιας υπόγειας ροής (Vertical flow subsurface constructed wetlands) Στους τεχνητούς υγροβιότοπους οριζόντιας υπόγειας ροής ισχύει ότι και σε αυτούς της κατακόρυφης ροής, µε την διαφορά ότι στους πρώτους, τα λύµατα εισέρχονται στον υγροβιότοπο µε κατεύθυνση οριζόντια σε σχέση µε το έδαφος. Η αποµάκρυνση των ρυπαντών γίνεται µέσω προσρόφησης στο υλικό πλήρωσης (π.χ χαλίκι, άµµος), διήθησης, καθίζησης και αποικοδόµησης. Αξιοσηµείωτο είναι το γεγονός ότι οι υγροβιότοποι κατακόρυφης ροής χρησιµοποιούνται συχνότερα σε αντίθεση µε αυτούς της οριζόντιας ροής. Σχήµα 1.7 Τυπική τοµή υγροβιότοπου υπόγειας -οριζόντιας ροής (Πηγή: Σιαράπη κ.α., 2005) 18 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη 1.5 ΧΡΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΤΕΧΝΗΤΩΝ ΥΓΡΟΒΙΟΤΟΠΩΝ ΣΕ ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΚΛΙΜΑΚΑ ΗΠΑ και Καναδάς Οι τεχνητοί υγροβιότοποι δεν παρουσιάζουν ευρεία διαδεδοµένη χρήση ως συστήµατα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων. Μια επισκόπηση του 1996 στις ΗΠΑ και τον Καναδά κατέδειξε 176 περιοχές υγροβιότοπων επεξεργασίας σε χρήση. Οι περισσότεροι από αυτούς (116) βρίσκονταν σε υποτροπικές ή θερµές ζώνες (υψηλών θερµοκρασιών). Εντούτοις, η Πολιτεία µε το µεγαλύτερο αριθµό εγκαταστάσεων είναι η χαµηλών θερµοκρασιών Νότια Ντακότα (40 περιοχές). Η πλειονότητα των υγροβιότοπων σε ζώνες χαµηλών θερµοκρασιών ήταν τύπου επιφανειακής ροής (FWS) (www.fujitaresearch.com). Ευρώπη Πολλές Ευρωπαϊκές χώρες έχουν τα τελευταία χρόνια δείξει αυξανόµενο ενδιαφέρον για µικρές εγκαταστάσεις επεξεργασίας υγρών αποβλήτων. Οι τεχνητοί υγροβιότοποι φαίνεται να είναι πρακτικά καλή επιλογή για επεξεργασία επιτόπου λόγω της απλής τους κατασκευής και της µεγάλης ικανότητας αποθήκευσης. Ένας αριθµός διαφορετικών σχεδιασµών βρίσκεται σε λειτουργία στην Ευρώπη, κυρίως συστήµατα υπόγειας ροής, που βρίσκονται σε χρήση για τριάντα έτη. Πρώτα, τα συστήµατα οριζόντιας ροής επιλέγονταν περισσότερο, αλλά οι αυστηροί νοµικοί κανόνες έχουν οδηγήσει στην ανάπτυξη υψηλής απόδοσης κατακόρυφης ροής τα τελευταία χρόνια. Με σκοπό να επιτευχθούν οι µεγαλύτερες απαιτήσεις c[<012µικρών και πολύ ευαίσθητων αποδεκτών, συνδυασµένα συστήµατα (π.χ. τεχνητοί υγροβιότοποι και συµβατικές βιολογικές εγκαταστάσεις) αποδεικνύουν ότι είναι επιτυχή (Haberl et al., 1995). Βόρεια Ευρώπη Στη Βόρεια Ευρώπη, η ∆ανία είναι η κορυφαία χώρα στην εφαρµογή τεχνητών υγροβιότοπων υπόγειας ροής. Στη χώρα υπάρχουν τουλάχιστον 130 τεχνητοί υγροβιότοποι, οι περισσότεροι από τους οποίους επεξεργάζονται δηµοτικά υγρά απόβλητα. Συγκριτικά, η Σουηδία και η Νορβηγία έχουν επιδείξει πολύ λιγότερο ενδιαφέρον σε τέτοια συστήµατα και καµία κυβέρνηση δεν έχει δώσει τελική έγκριση χρήσης τεχνητών υγροβιότοπων για νοµοθετηµένη επεξεργασία νερού. Το 1996, η Σουηδία είχε 6 επιφανειακής ροής και 8 υπόγειας ροής υγροβιότοπους για επεξεργασία δηµοτικών ή οικιακών αποβλήτων. Ωστόσο, στις περισσότερες περιπτώσεις εγκαταστάθηκαν µόνο µε σκοπό να βοηθήσουν στην αποµάκρυνση αζώτου ή να καθαρίσουν στην εντέλεια το νερό που είχε επεξεργασθεί προηγουµένως µε άλλα µέσα. Η Νορβηγία έχει σχεδόν δώδεκα υγροβιότοπους, η πλειονότητα των οποίων είναι εγκαταστάσεις υπόγειας ροής (www.fujitaresearch.com). Ανατολική Ευρώπη Η διάδοση των τεχνητών υγροβιότοπων είναι µεγαλύτερη στην Τσεχία. Μεταξύ 1989 και 1996, 26 συστήµατα κατασκευάσθηκαν. Ως αποτέλεσµα της επιτυχίας που σηµείωσαν, 54 επιπλέον συστήµατα κατασκευάζονται από τότε. Όλα τα συστήµατα είναι οριζόντιας υπόγειας ροής και επεξεργάζονται δηµοτικά υγρά απόβλητα (µετά από αρχική προεπεξεργασία). Η Ουγγαρία και η Εσθονία είναι γνωστό ότι κατασκευάζουν τεχνητούς υγροβιότοπους, αλλά δεν είναι διαθέσιµοι αριθµοί (www.fujitaresearch.com). 19 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη 1.6 ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΤΕΧΝΗΤΩΝ ΥΓΡΟΒΙΟΤΟΠΩΝ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑ∆Α Τεχνητός υγροβιότοπος Βάσσοβας Στα πλαίσια του προγράµµατος LIFE για τον ποταµό Νέστο, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε τεχνητός υγροβιότοπος επιφανειακής ροής στη λιµνοθάλασσα Βάσσοβα µε σκοπό να δέχεται την αγροτική απορροή από παρακείµενο αποστραγγιστικό κανάλι (Τ-1) και, µετά από επεξεργασία για την αφαίρεση θρεπτικών αλάτων, να φορτίζει τη λιµνοθάλασσα µε γλυκό νερό, αποκαθιστώντας έτσι την είσοδο γλυκού νερού στη λιµνοθάλασσα που είχε διακοπεί. Ο τεχνητός υγροβιότοπος κατασκευάστηκε σε συνολική έκταση 38400 m2 δίπλα στη λιµνοθάλασσα και είναι χωρισµένος κατά µήκος σε τρία κελιά, µέσω αναχωµάτων από περατό χαλίκι, ώστε να πραγµατοποιείται οµοιόµορφη ροή σε όλο το πλάτος του υγροβιότοπου. Ο χώρος του υγροβιότοπου διαµορφώθηκε κατάλληλα ως προς την κλίση και φυτεύτηκε. Μετά τον πρώτο χρόνο λειτουργίας, από τα αποτελέσµατα συχνών δειγµατοληψιών που πραγµατοποιήθηκαν στον υγροβιότοπο, φαίνεται ότι ο σκοπός επετεύχθη, αφού τα θρεπτικά άλατα (νιτρικά, νιτρώδη και φωσφορικά) αποµακρύνονται ικανοποιητικά (Ακράτος, 2006). Τεχνητός υγροβιότοπος Μαδύτου Η µονάδα κατασκευάστηκε στην κοινότητα Ν. Μαδύτου σε µια επιφάνεια γης περίπου 2,5 ha και εξυπηρετεί τους οικισµούς Ν. Μαδύτου και Μοδιού. Το σύστηµα τέθηκε σε λειτουργία τον Ιούνιο του 1995. Η µονάδα σχεδιάστηκε µε χρονικό ορίζοντα 20 ετών για να εξυπηρετεί 3000 κατοίκους, ενώ σήµερα εξυπηρετεί 2500. Τα λύµατα προωθούνται στην εγκατάσταση µέσω αντλιοστασίου προώθησης των ακαθάρτων που αποτελείται από δύο αντλίες υγρού τύπου (βυθισµένες) παροχής 90 m3/h και µανοµετρικού 20 m. Στην είσοδο της εγκατάστασης τα λύµατα οδηγούνται σε δύο δεξαµενές Imhoff, όπου και υφίστανται πρωτοβάθµια καθίζηση. Η ιλύς, η οποία συγκεντρώνεται στο χαµηλότερο τµήµα της δεξαµενής, οδηγείται µε αγωγούς σε τακτά χρονικά διαστήµατα σε κλίνες ιλύος για αφυδάτωση. Κάθε µία από τις κλίνες αυτές έχει επιφάνεια 140 m2, µε τέσσερις στρώσεις διαφορετικών υλικών πλήρωσης. Στη συνέχεια, τα λύµατα οδηγούνται σε κλίνες τεχνητών υγροβιότοπων κατακόρυφης ροής (1ο στάδιο επεξεργασίας) συνολικής έκτασης 1360 m2. Από τη µέχρι τώρα λειτουργία της εγκατάστασης γίνεται εµφανές ότι λειτουργεί ικανοποιητικά όσον αφορά την αποµάκρυνση των ρύπων. Η αποµάκρυνση BOD5 και COD είναι της τάξεως του 90% και 80% αντιστοίχως και του ΤΚΝ και της αµµωνίας περίπου 85%. Η αποµάκρυνση ολικού φωσφόρου είναι σχετικά χαµηλή (22%). Επιπλέον, τα ολικά αιωρούµενα στερεά και τα ολικά κολοβακτηρίδια αφαιρούνται ικανοποιητικά (90% και 98% αντίστοιχα) (Ακράτος, 2006). Τεχνητός υγροβιότοπος Γοµατίου Μια άλλη εγκατάσταση που λειτουργεί στη Βόρεια Ελλάδα είναι αυτή της κοινότητας Γοµατίου του ∆ήµου Παναγιάς του Νοµού Χαλκιδικής. Η εγκατάσταση σχεδιάστηκε για να εξυπηρετεί 1000 κατοίκους, ενώ σήµερα ο εξυπηρετούµενος πληθυσµός είναι 800. Η εγκατάσταση αποτελείται από: εσχάρωση, πρωτοβάθµια καθίζηση, χώνευση ιλύος, κλίνες τεχνητού υγροβιότοπου ξήρανσης ιλύος, 1ο στάδιο κλινών τεχνητού υγροβιότοπου κατακόρυφης ροής, 2ο στάδιο κλινών τεχνητού υγροβιότοπου κατακόρυφης ροής, 3ο στάδιο τεχνητού υγροβιότοπου υπόγειας ροής. Η εσχάρωση επιτυγχάνεται µε κυκλικό αυτοκαθαριζόµενο περιστρεφόµενο τύµπανο µε οπές. Κατόπιν, το λύµα εισέρχεται στη δεξαµενή πρωτοβάθµιας καθίζησης ολικού όγκου 48 m3, όπου παραµένει εκεί για τρεις µήνες και µετά οδηγείται στις κλίνες τεχνητών υγροβιότοπων κατακόρυφης ροής για επεξεργασία ιλύος, οι οποίες είναι κυκλικής διατοµής αποτελούµενες από 4 όµοια διαµερίσµατα, έκτασης 60 m2 το καθένα (συνολική έκταση 240 m2). Το υγρό απόβλητο, µετά τη δεξαµενή καθίζησης, εισέρχεται περιοδικά στο 1ο στάδιο τεχνητών υγροβιότοπων 20 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη κατακόρυφης ροής µέσω ενός σιφωνά. Το στάδιο αυτό αποτελείται από 4 κελιά µε επιφάνεια 160 m2 το καθένα (συνολική έκταση 640 m2). Κάθε κελί φορτίζεται περιοδικά κάθε δύο ηµέρες. Η εκροή του εισέρχεται στο 2ο στάδιο τεχνητών υγροβιότοπων κατακόρυφης ροής, το οποίο είναι σχεδόν όµοιο µε το 1ο µε µόνη διαφορά ότι το κάθε κελί έχει έκταση 90 m2 (συνολική έκταση 360 m2). Τελικά, το απόβλητο εισέρχεται στον τεχνητό υγροβιότοπο οριζόντιας υπόγειας ροής, ο οποίος έχει συνολική έκταση 800 m2. Η εκροή της εγκατάστασης καταλήγει σε παρακείµενο ρέµα. Από τα δύο πρώτα χρόνια λειτουργίας της εγκατάστασης του Γοµατίου είναι εµφανές ότι αυτή λειτουργεί ικανοποιητικά για την αποµάκρυνση των ρύπων. Παρατηρείται ότι η µέση αποµάκρυνση BOD5 και COD είναι πάνω από 90% και του ΤΚΝ και της αµµωνίας περίπου 85%. Επίσης, τα ολικά αιωρούµενα στερεά (TSS) και τα ολικά κολοβακτηρίδια (TC) αφαιρούνται ικανοποιητικά (93% και 99% αντιστοίχως), ενώ η αφαίρεση ορθοφωσφορικών και ολικού φωσφόρου είναι, όπως αναµένεται, σε µικρότερα ποσοστά (48% και 60% αντίστοιχα) (Ακράτος, 2006). Τεχνητός υγροβιότοπος Πόµπιας Ο τεχνητός υγροβιότοπος που λειτουργεί στην Πόµπια της Κρήτης είναι επιφανειακής ροής (Εικόνα 1.2), αποτελούµενος από δύο κελιά σε σειρά έκτασης 4300 m2 και 1200 m2 (Ακράτος, 2006, Dialynas et al., 2002). Το απόβλητο πριν την είσοδο στον υγροβιότοπο αποθηκεύεται σε σηπτική δεξαµενή. Η εκροή από τον υγροβιότοπο καταλήγει στο φρεάτιο επανακυκλοφορίας όπου µε αντλία επανακυκλοφορεί στοχεύοντας στη µεγιστοποίηση των αποδόσεων του υγροβιότοπου. Η στάθµη της εκροής στον υγροβιότοπο ρυθµίζεται από τα φρεάτια ρύθµισης στάθµης. Η απολύµανση επιτυγχάνεται µε υπεριώδη ακτινοβολία (UV) (Σχήµα 1.8). Τα δύο κελιά είναι φυτεµένα µε δύο είδη καλαµιών (Phragmites australis και Arundo donax). Η εγκατάσταση ξεκίνησε τη λειτουργία της τον Αύγουστο του 1999, βρίσκεται ακόµη σε λειτουργία και εξυπηρετεί 1200 ισοδύναµους κατοίκους (p.e.). Η µέση ηµερήσια παροχή είναι 144 m3/d και ο χρόνος παραµονής κυµάνθηκε από 5 έως 14 ηµέρες (ανάλογα µε την εποχή), ενώ η θερµοκρασία του αποβλήτου κυµάνθηκε από 10°C έως 22°C το καλοκαίρι. Η γενική αίσθηση για έναν επισκέπτη είναι ότι το σύστηµα αυτό λειτουργεί σαν φυσικό έλος και φυσικό περιβάλλον πουλιών και άγριων ζώων. Οι µέσες αποδόσεις αφαίρεσης ρύπων για µια περίοδο λειτουργίας τριών χρόνων ήταν για το BOD5 94,4%, για το COD 96,1%, για τα TSS 95,5%, για το ΤΚΝ 52,5% και για τον ολικό φώσφορο 53,1% (Ακράτος, 2006; Dialynas et al., 2002). Εικόνα 1.2 Έξοδος τελευταίας κλίνης στον τεχνητό υγροβιότοπο Πόµπιας ∆. Μοιρών (Πηγή: OANAK, 2000) 21 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Σχήµα 1.8 ∆ιάγραµµα ροής της ΜΕΑΛ Κοινότητας Πόµπιας (Πηγή: ΟΑΝΑΚ, 1997) Τεχνητός υγροβιότοπος Θεσσαλονίκης Η παρούσα µελέτη πραγµατοποιήθηκε µε σκοπό να εξετασθεί η επίδραση του κλίµατος στην ικανότητα ενός τεχνητού υγροβιότοπου στην απορρύπανση δηµοτικών υγρών αποβλήτων. Οι στόχοι του έργου αυτού ήταν: α) Η παρακολούθηση των εποχιακών µεταβολών στη µείωση πληθυσµών κολοβακτηριδίων σε έναν τεχνητό υγροβιότοπο, β) η µελέτη της επίδρασης της ηλιακής ακτινοβολίας και της θερµοκρασίας στην ικανότητα του τεχνητού υγροβιότοπου να περιορίσει τη συγκέντρωση των ολικών κολοβακτηριδίων (total coliforms - TC) και γ) να εκτιµηθεί εφόσον η ικανότητα του υγροβιότοπου να αποµακρύνει Salmonella spp. µπορεί να προβλεφθεί από τη συγκέντρωση των TC στην εκροή του υγροβιότοπου. Για το λόγο αυτό, ένας πρωτότυπος τεχνητός υγροβιότοπος κατασκευάσθηκε το 1996 κοντά στο Γαλλικό ποταµό στη Θεσσαλονίκη και λειτουργεί από τον Απρίλιο του 1997. Ο υγροβιότοπος χρησιµοποιείται για δευτερογενή επεξεργασία παροχής 100 m3/day πρωτογενώς επεξεργασµένων δηµοτικών λυµάτων και αποτελείται από τέσσερις παράλληλες κλίνες επιφανειακής ροής (φυτεµένες µε Typha latipholia), µια λίµνη σταθεροποίησης και δύο κλίνες υπόγειας ροής (φυτεµένες µε Phragmites communis). Ο τεχνητός υγροβιότοπος αποµάκρυνε επιτυχώς τα ολικά κολοβακτηρίδια κατά τη διάρκεια της άνοιξης, του φθινοπώρου και του καλοκαιριού. Η ποσοστιαία µείωση των κολοβακτηριδίων ήταν σηµαντικά µικρότερη κατά τη διάρκεια του χειµώνα σε σύγκριση µε τους υπόλοιπους µήνες. Ένα µοντέλο παλινδρόµησης της εκατοστιαίας µείωσης κολοβακτηριδίων ως εξαρτηµένης µεταβλητής και της θερµοκρασίας, της ηλιακής ακτινοβολίας ως ανεξάρτητες µεταβλητές παρουσίασε καλή προσαρµογή (r2 = 0,89). Ιδιαιτέρως, η ηλιακή ακτινοβολία και η θερµοκρασία είχαν θετική επίδραση στην εκατοστιαία µείωση κολοβακτηριδίων, µε τη θερµοκρασία να έχει µικρότερη επιρροή (Anastasiadis et al., 2001). Τεχνητός υγροβιότοπος Επισκοπής Η συγκεκριµένη µονάδα επεξεργασίας αστικών λυµάτων (ΜΕΑΛ) καλύπτει τις ανάγκες των οικισµών Επισκοπής και Σγουροκεφαλίου του ∆ήµου Επισκοπής. Το έτος σχεδιασµού είναι το 2023, ενώ ορισµένες µονάδες όπως η σηπτική δεξαµενή και τα φρεάτια έχουν σχεδιασθεί έως το 2043. Ο σχεδιασµός και η κατασκευή όλων των µονάδων προβλέπει παντού εφεδρείες 22 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη και έχει συντελεστή ασφαλείας 20% σε περιπτώσεις υπερφόρτισης, βλάβης ή συντήρησης σε ένα τµήµα της ΜΕΑΛ. Η εγκατάσταση αποτελείται από µία σηπτική δεξαµενή, ακολουθούµενη από ένα αµµόφιλτρο ανακυκλοφορίας, λεκάνες τεχνητών υγροβιότοπων επιφανειακής ροής και απολύµανση της εκροής µε υποχλωριώδες νάτριο NaOCl (Σχήµα 1.9) (Χαιρέτη Όλγα, 2005). 23 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη 2. ΓΕΝΙΚΟΣ ΣΧΕ∆ΙΑΣΜΟΣ 2.1 ΕΚΤΙΜΗΣΕΙΣ ΣΧΕ∆ΙΑΣΜΟΥ Παρά τον µεγάλο αριθµό των ερευνών και γενικότερα των πληροφοριών που έχουν δηµοσιευτεί, δεν έχει ακόµη προσδιοριστεί ο βέλτιστος σχεδιασµός των τεχνητών υγροβιότοπων για τις διάφορες εφαρµογές. Πολλά συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων δεν έχουν ελεγχθεί επαρκώς ή δεν λειτουργούν αρκετό καιρό ώστε να παρέχουν επαρκή στοιχεία για ανάλυση. Οι επιδόσεις µεταξύ των συστηµάτων που ελέγχθηκαν, παρουσίασαν µεγάλες διακυµάνσεις, καθότι οι παράγοντες που τις επηρεάζουν, όπως η τοποθεσία, το είδος των λυµάτων ή της απορροής, ο σχεδιασµός του υγροβιότοπου, το κλίµα, οι καιρικές συνθήκες, και η ηµερήσια ή εποχιακές διακυµάνσεις, ήταν δύσκολο να ποσοτικοποιηθούν (Davis, 1994). Σε γενικές γραµµές, τα σχέδια των τεχνητών υγροβιότοπων προσπαθούν να µιµηθούν αυτά των φυσικών υγροβιότοπων στη συνολική δοµή, έτσι ώστε να διευκολύνονται οι διαδικασίες εκείνες που θεωρείται ότι συµβάλλουν τα µέγιστα στη βελτίωση της ποιότητας του νερού. Ο Mitsch (1992) προτείνει τις ακόλουθες κατευθυντήριες γραµµές για τη δηµιουργία επιτυχηµένων τεχνητών υγροβιότοπων: • Προτιµήστε τον απλό σχεδιασµό. Πολύπλοκες τεχνολογικές προσεγγίσεις, συχνά προκαλούν την αποτυχία. • Σχεδιάστε έτσι ώστε να χρίζει ελάχιστης δυνατής συντήρησης. • Σχεδιάστε το σύστηµα έτσι ώστε να γίνεται χρήση των φυσικών πηγών ενέργειας, όπως είναι η βαρύτητα. • Σχεδιάστε σύµφωνα µε τα ακραία καιρικά φαινόµενα. Καταιγίδες, πληµµύρες και ξηρασίες πρέπει να είναι αναµενόµενες και όχι να µας βρουν προ εκπλήξεως. • Σχεδιάστε τον υγροβιότοπο σύµφωνα µε το τοπίο, και όχι εναντίον του. Ενσωµατώστε τον µε την φυσική τοπογραφία της περιοχής. • Μιµηθείτε τους φυσικούς υγροβιότοπους. Αποφύγετε την χρήση υπερβολικής µηχανικής. • ∆ώστε χρόνο στο σύστηµα. Οι υγροβιότοποι δεν καθίστανται λειτουργικοί εν µία νύκτα, µπορεί και να µεσολαβήσουν αρκετά χρόνια ως ότου η επίδοσή τους φτάσει στα βέλτιστα επίπεδα. Στρατηγικές που έχουν ως στόχο την επιτάχυνση της διαδικασίας ανάπτυξης του συστήµατος ή την υπερφόρτωσή του, συνήθως αποτυγχάνουν. • Σχεδιάστε µε στόχο την λειτουργικότητα, όχι την εµφάνιση. Για παράδειγµα, εάν αποτύχουν οι αρχικές φυτεύσεις, αλλά η συνολική λειτουργία του υγροβιότοπου, µε βάση τους αρχικούς στόχους, είναι άθικτη, τότε το σύστηµα δεν έχει αποτύχει. 24 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη 2.2 ΣΧΕ∆ΙΑΣΜΟΣ Η εννοιολογική φάση σχεδιασµού είναι απαραίτητη. Ο σχεδιασµός των τεχνητών υγροβιότοπων ποικίλει -όσον αφορά το σύστηµα, τον τύπο του και την διαµόρφωση- και εξαρτάται από το είδος και την ποσότητα των υγρών αποβλήτων, τις διαθέσιµες εναλλακτικές τοποθεσίες, τις κλιµατολογικές συνθήκες της περιοχής και την ποικιλία των τοπικών, ενδηµικών φυτών που πρόκειται να χρησιµοποιηθούν. Κάθε τοποθεσία είναι µοναδική και ο σχεδιασµός ενός τεχνητού υγροβιότοπου θα είναι σύµφωνος µα συγκεκριµένη τοποθεσία. Η φάση σχεδιασµού αποτελείται από τον προσδιορισµό της ποσότητας και της ποιότητας των λυµάτων που θα υποστεί επεξεργασία, τον καθορισµό των απαιτούµενων χαρακτηριστικών των απορροών, την επιλογή της τοποθεσίας, την επιλογή του τύπου και της διαµόρφωσης του συστήµατος, και τον προσδιορισµό των κριτηρίων σχεδιασµού, τα οποία πρέπει να πληρούν τα λεπτοµερή σχέδια του µηχανικού. Στους οικονοµικούς παράγοντες περιλαµβάνονται η απαιτούµενη έκταση γης, η ποσότητα του προς επεξεργασία ύδατος, ο έλεγχος και η µεταφορά του νερού µέσω του συστήµατος και η βλάστηση. Το κλειδί για τη δηµιουργία ενός επιτυχούς συστήµατος είναι ο καθορισµός και η ιεράρχηση των στόχων του. Τα χαρακτηριστικά ενός τοπικού φυσικού υγροβιότοπου θα πρέπει να χρησιµοποιηθούν ως πρότυπο για την κατασκευή του τεχνητού, αφού τροποποιηθούν ώστε να προσαρµοστούν στις εκάστοτε ανάγκες και ιδιαιτερότητες του. Ένας τεχνητός υγροβιότοπος θα πρέπει να σχεδιαστεί έτσι ώστε να επωφελείται από τα φυσικά χαρακτηριστικά του περιβάλλοντος χώρου, αλλά και για την ελαχιστοποίηση της διαταραχής αυτού. Το σχήµα του υγροβιότοπου υπόκειται στην υφιστάµενη τοπογραφία, γεωλογία, και διαθεσιµότητα γης. Ο αριθµός των κλινών εξαρτάται, επίσης, από την τοπογραφία, την υδρολογία, και την ποιότητα των υδάτων. Σε επίπεδες τοποθεσίες, στις κλίνες πρέπει να δηµιουργηθούν αντιπληµµυρικά αναχώµατα, ενώ σε επικλινείς τοποθεσίες, πρέπει να δηµιουργηθούν βαθµίδες. Ένας σχεδιασµός που ενσωµατώνει τα υπάρχοντα χαρακτηριστικά του χώρου, µειώνει τις απαιτούµενες χωµατουργικές εργασίες και αυξάνει την οπτική ελκυστικότητα της τοποθεσίας. Η διαµόρφωση και η επεξεργασία του εδάφους µπορεί να ενσωµατώσει τις νέες αυτές µορφές στο υφιστάµενο τοπίο. Οι λεκάνες και τα κανάλια µπορούν να είναι κυρτά ώστε να ακολουθούν το φυσικό περιβάλλον της τοποθεσίας. Μέσα και γύρω από τον υγροβιότοπο µπορούν να φυτευτούν διάφοροι τύποι βλάστησης, για µείωση της διάβρωσης, τον διαχωρισµό του χώρου, τον έλεγχο του µικροκλίµατος, την υπόδειξη της ροής, αλλά και ως προπέτασµα. Ο σχεδιασµός πρέπει να είναι αντίστοιχος της δηµιουργίας ενός βιολογικού και υδραυλικού λειτουργικού συστήµατος. Τα σχέδια πρέπει περιλαµβάνουν σαφείς στόχους και πρότυπα για την επίτευξη της επιτυχίας. Πρέπει επίσης να ληφθεί υπ’ όψιν πιθανή µελλοντική επέκταση της επιχείρησης. Τα σχέδια πρέπει να περιλαµβάνουν λεπτοµερείς οδηγίες για την εφαρµογή ενός σχεδίου έκτακτης ανάγκης σε περίπτωση που το σύστηµα δεν επιτυγχάνει την αναµενόµενη απόδοση του εντός συγκεκριµένης προθεσµίας. Τα σχέδια θα πρέπει να αναθεωρηθούν και να εγκριθούν από τους αρµόδιους ρυθµιστικούς οργανισµούς (Davis, 1994). 25 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη 2.2.1 Βασικά βήµατα σχεδιασµού Τα πρωταρχικής σηµασίας βήµατα για τον επιτυχηµένο σχεδιασµό ενός τεχνητού υγροβιότοπου περιλαµβάνουν τα ακόλουθα (Metcalf and Eddy, 1991): • Την ακριβή εκτίµηση των παροχών εισροής και των φορτίων ρύπων που εισέρχονται στον υγροβιότοπο. • Την εκτίµηση απόδοσης του υγροβιότοπου καθώς και της έκτασης και του όγκου που είναι απαραίτητα για την επίτευξη των ελάχιστων ορίων ποιότητας της εκροής. • Το σχεδιασµό ελέγχων των υδρολογικών και υδραυλικών χαρακτηριστικών του υγροβιότοπου µε σκοπό να επιτευχθεί επίπεδο απόδοσης συγκρίσιµο µε την απόδοση των λειτουργούντων συστηµάτων τα οποία χρησιµοποιήθηκαν για την εξαγωγή εµπειρικών τοπικών σταθερών. • Τη δηµιουργία και διατήρηση των χηµικών, φυσικών και βιολογικών στοιχείων του συστήµατος του υγροβιότοπου που είναι αναγκαία για την επίτευξη των αναµενόµενων ρυθµών επεξεργασίας των ρύπων. Αρκετά συµπληρωµατικά ζητήµατα είναι σηµαντικά στο σχεδιασµό και στη λειτουργία τεχνητών υγροβιότοπων επεξεργασίας. Αυτά µπορεί να περιλαµβάνουν τάφρους και αναχώµατα, διατάξεις ελέγχου της εισόδου και εξόδου του νερού, συµπίεση και διαβάθµιση του εδάφους, στεγανοποίηση και άλλα. Επίσης, µηχανολογικά ζητήµατα σχετικά µε διατάξεις ελέγχου της ροής, θέµατα κατασκευής και λειτουργίας είναι επίσης σηµαντικά και περιλαµβάνουν απαιτήσεις σχετικές µε την αποψίλωση των φυτών και τον καθαρισµό τους, τεχνικές επιλογής των φυτών, έλεγχο του επιπέδου της επιφάνειας του νερού, αποφυγή ενοχλητικών συνθηκών λόγω κουνουπιών ή οσµών, ασφάλεια τόσο του κοινού όσο και του προσωπικού και διαχείριση της άγρια ζωής (Prescott and Tsanis, 1997). 2.3 ΕΠΙΛΟΓΗ ΤΟΠΟΘΕΣΙΑΣ Η επιλογή της σωστής τοποθεσίας µπορεί να σας γλιτώσει σηµαντικό κόστος. Για την επιλογή αυτής πρέπει να ληφθούν υπ’ όψιν η χρήση, η διαθεσιµότητα και η προσβασιµότητα της γης, η τοπογραφία της περιοχής, το είδος του εδάφους, οι περιβαλλοντικοί πόροι του τόπου και οι πιθανές επιπτώσεις που θα έχει η εγκατάσταση στους γείτονες. Ο υγροβιότοπος θα πρέπει να βρίσκεται όσο το δυνατόν πιο κοντά στην πηγή των λυµάτων, καθώς και όσο το δυνατόν κατηφορικός, ώστε το νερό να διέρχεται µέσα στο σύστηµα µε την βοήθεια της βαρύτητας. Ενώ ένας υγροβιότοπος µπορεί να τοποθετηθεί σε σχεδόν οποιαδήποτε τοποθεσία, το κόστος κατασκευής µπορεί να αποβεί υπερβολικά υψηλό εάν απαιτούνται εκτενείς χωµατουργικές εργασίες ή ακριβά χιτώνια. Κατάλληλη τοποθεσία για τεχνητό υγροβιότοπο είναι αυτή η οποία (Davis, 1994): • Βρίσκεται σε βολική τοποθεσία αναφορικά µε την πηγή των λυµάτων. • Παρέχει επαρκή χώρο. 26 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη • Έχει ελαφρά κλίση, έτσι ώστε το νερό να ρέει µέσω του συστήµατος λόγω βαρύτητας. • Αποτελείται από εδάφη τα οποία µπορούν να συµπυκνωθούν αρκετά, έτσι ώστε να έχουµε ελαχιστοποίηση του φαινοµένου της διήθησης στα υπόγεια ύδατα. • Είναι πάνω από τον υδάτινο ορίζοντα • ∆εν βρίσκεται σε πληµµυρίζουσα περιοχή • ∆εν περιέχει είδη προς εξαφάνιση • ∆εν περιέχει αρχαιολογικούς ή ιστορικής σηµασίας χώρους 2.3.1 Χρήση και προσβασιµότητα γης Η πρόσβαση στον υγροβιότοπο είναι ένα σηµαντικό θέµα, καθότι θα πρέπει να είναι τοποθετηµένος έτσι ώστε το νερό να µπορεί να ρέει διαµέσου αυτού µε την βοήθεια της βαρύτητας. Εάν οι µυρωδιές ή τα έντοµα πρόκειται να δηµιουργήσουν πρόβληµα, όπως µε ορισµένα γεωργικά λύµατα, ο υγροβιότοπος θα πρέπει να τοποθετηθεί όσο το δυνατόν πιο µακριά από κατοικίες. Ο χώρος θα πρέπει να είναι προσιτός στο προσωπικό, στα οχήµατα παράδοσης, καθώς και στον εξοπλισµό κατασκευής και συντήρησης. Όσον αφορά τα γεωργικά και αστικά υγρά απόβλητα, ο υγροβιότοπος πρέπει να εγκατασταθεί σε ιδιωτικές εκτάσεις. Ο κτηµατίας πρέπει να επιλεχθεί προσεκτικά. Είναι απαραίτητο ο κτηµατίας να είναι συνεργάσιµος και να κατανοεί πλήρως τους περιορισµούς και τις αστάθµητους παράγοντες που συνδέονται µε την ανάπτυξη τέτοιου είδους τεχνολογίας, όπως είναι οι τεχνητοί υγροβιότοποι. Η τρέχουσα και η µελλοντική χρήση και η αξία της παρακείµενης γης, επίσης θα επηρεάσουν την καταλληλότητα του χώρου για την κατασκευή τεχνητού υγροβιότοπου. Επιπλέον, πρέπει να ληφθεί υπ’ όψιν η γνώµη των κατοίκων της περιοχής και των περιβαλλοντικών και κοινωνικών οµάδων. Ο υγροβιότοπος δεν θα πρέπει να είναι τοποθετηµένος δίπλα σε κατοικηµένη περιοχή. Ανάµεσα σε αυτήν και τον υγροβιότοπο θα πρέπει να µεσολαβεί µια ουδέτερη ζώνη µεγάλης έκτασης. Γενικά, προτιµούνται ανοικτές γεωργικές εκτάσεις, ιδιαίτερα εκείνες που ευρίσκονται σε υπάρχοντες φυσικούς υγροβιότοπους. Οι τεχνητοί υγροβιότοποι επιδρούν αυξητικά και βελτιωτικά, σε υπάρχοντες φυσικούς υγροβιότοπους, µε προσθήκη υδρόβιας δραστηριότητας και εξασφάλιση σταθερής υδατοτροφοδοσίας τους. Σε πολλές περιπτώσεις επιδρούν θετικά στην ποιοτική αναβάθµιση των περιοχών εγκατάστασης τους (Davis, 1994). ζ 2.3.2 ∆ιαθεσιµότητα οικοπέδου Η αποτελεσµατικότητα των τεχνητών υγροβιότοπων αναφορικά µε την επεξεργασία αστικών λυµάτων ή οµβρίων υδάτων, σχετίζεται µε τον χρόνο κατακράτησης του νερού στον υγροβιότοπο. Η χρησιµότητα του υγροβιότοπου µπορεί εποµένως να περιορίζεται από την 27 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη έκταση που απαιτείται για τον επαρκή χρόνου κατακράτησης. Το οικόπεδο που επιλέγεται πρέπει εποµένως να είναι αρκετά µεγάλο ώστε να «φιλοξενήσει» τις σηµερινές απαιτήσεις, αλλά και κάθε πιθανή µελλοντική επέκταση (Σωτηροπούλου, 2008). 2.3.3 Τοπογραφία Εκτιµήσεις ως προς την τοπογραφία περιλαµβάνουν το σχήµα, το µέγεθος και τον προσανατολισµό ως προς τους ανέµους. Ενώ ένας τεχνητός υγροβιότοπος µπορεί να οικοδοµηθεί σχεδόν οπουδήποτε, επιλέγοντας µια τοποθεσία µε βαθµιαίες πλαγιές που µπορεί εύκολα να τροποποιηθεί για να συλλέξουµε και να διατηρήσουµε το νερό, απλοποιείται ο σχεδιασµός και η κατασκευή και ελαχιστοποιείται το κόστος. Περιοχές φυσικών υγροβιότοπων που έχουν στο παρελθόν αποξηραθεί, συµπεριλαµβανοµένων αυτών που έχουν µετατραπεί σε γεωργικές περιοχές, µπορεί να θεωρηθούν ιδανικές για τεχνητό υγροβιότοπο, καθότι η τοπογραφία τους συνήθως ευνοεί τη ροή της βαρύτητας. ∆εδοµένου ότι η καλύτερη θέση για έναν τεχνητό υγροβιότοπο, είναι µια χαµηλή, επίπεδη περιοχή όπου το νερό ρέει µέσω βαρύτητας, είναι σηµαντικό να διασφαλιστεί ότι η περιοχή δεν είναι ήδη υγροβιότοπος, δεν έχουν όλοι οι υγροβιότοποι στάσιµο νερό καθ 'όλη την διάρκεια του έτους. Θα πρέπει να συµβουλευτείτε τις αρµόδιες υπηρεσίες για να διευκρινιστεί το αν η επιθυµητή τοποθεσία είναι κατάλληλη. Με δεδοµένο ότι τα συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων µε ελεύθερη επιφάνεια (FWS) σχεδιάζονται σε επίπεδες λεκάνες ή κανάλια, και αυτά µε βυθισµένη βάση (SRS) σχεδιάζονται και κατασκευάζονται µε κλίσεις 1% ή ελαφρώς µεγαλύτερες, γενικά, απαιτείται οµοιόµορφη τοπογραφία (από επίπεδη έως ελαφρώς κεκλιµένη). Είναι φανερό ότι τέτοια συστήµατα µπορούν να κατασκευασθούν και σε ανοµοιόµορφες εκτάσεις µε µεγάλες κλίσεις, αλλά σε τέτοιες περιπτώσεις το κόστος εκσκαφής, ίσως, να είναι απαγορευτικό. Γενικά, µπορούµε να θεωρήσουµε ότι κατάλληλες θέσεις για υγροβιότοπους είναι αυτές µε κλίσεις µικρότερες από 5% (Σωτηροπούλου, 2008). 2.3.4 Εδαφολογία Θέσεις µε εδάφη ή υπεδάφη µε µικρή σχετικά περατότητα (<5mm/h) είναι πιο επιθυµητές για συστήµατα υγροβιότοπων, αφού ο αντικειµενικός σκοπός τους είναι η επεξεργασία υγρών αποβλήτων σε µια υδατική στρώση, πάνω από το χρησιµοποιούµενο εδαφικό υπόστρωµα. Έτσι, ελαχιστοποιούνται οι απώλειες του εφαρµοζόµενου υγρού αποβλήτου µε διήθηση του στο έδαφος. Σε συστήµατα υγροβιότοπων, όπως και σε αυτά επιφανειακής ροής, οι πόροι στο επιφανειακό έδαφος τείνουν να αποφράσσονται, εξαιτίας της κατακράτησης στερεών και των αναπτυσσόµενων αποικιών βακτηρίων. Επίσης, σε φυσικά εδάφη, είναι δυνατή η ελάττωση της περατότητας τους µε συµπίεση τους στη διάρκεια κατασκευής του έργου. Θέσεις µε πολύ διαπερατά εδάφη µπορούν να χρησιµοποιηθούν µόνο στη περίπτωση κατασκευής µικρών συστηµάτων µε αργιλικές βάσεις ή άλλα τεχνητά υποστρώµατα. Άλλα εδαφικά και υπεδαφικά κριτήρια είναι τα ίδια σχεδόν, που απαιτούνται στα συστήµατα επιφανειακής ροής (Σωτηροπούλου, 2008). 28 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη 2.3.5 Υδρολογία Οι υγροβιότοποι πρέπει να ευρίσκονται έξω από περιοχές επιδεκτικές σε πληµµύρες εκτός όταν παρέχεται ιδιαίτερη προστασία τους από αυτές. Σε περιπτώσεις που συµβαίνουν µικρής έκτασης πληµµυρικά γεγονότα, ιδιαίτερα στη περίοδο του χειµώνα, που η λειτουργία τους περιορίζεται, δεν απαιτείται ιδιαίτερη προστασία τους (Σωτηροπούλου, 2008). 2.3.6 Κλίµα Η χρήση τεχνητών υγροβιότοπων είναι δυνατή ακόµη και σε ψυχρά κλίµατα. Γενικά όµως η αποτελεσµατικότητα λειτουργίας ενός συστήµατος εξαρτάται από τη θερµοκρασία του εφαρµοζόµενου υγρού αποβλήτου και τους επιθυµητούς στόχους για τους οποίους γίνεται η επεξεργασία. Έτσι, µε δεδοµένο ότι οι κύριοι µηχανισµοί επεξεργασίας είναι κυρίως βιολογικής φύσης, η απόδοση επεξεργασίας είναι σηµαντικά εξαρτώµενη από την επικρατούσα θερµοκρασία. Γι’ αυτό, όταν δεν επιτυγχάνεται ο αντικειµενικός σκοπός κατασκευής του δεδοµένου συστήµατος απαιτείται αποθήκευση του εφαρµοζόµενου αποβλήτου (Σωτηροπούλου, 2008). 2.4 ΣΧΕ∆ΙΑΣΜΟΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ Πίνακας 2.1 Στοιχεία σχεδιασµού τεχνητών υγροτόπων (Καραµούζης, 2006) Οι τεχνητοί υγροβιότοποι, επιφανειακής και υπόγειας ροής, αν και αποτελούν νέες τεχνολογίες, είναι σήµερα ευρύτατα διαδεδοµένοι σε όλες σχεδόν τις ΗΠΑ. Οι Brown and Reed (1994) βασιζόµενοι σε µια προκαταρκτική επισκόπηση – θεώρηση τέτοιων συστηµάτων στις ΗΠΑ, συµπεραίνουν ότι τα συστήµατα αυτά είναι τόσο αξιόπιστα όσο και χαµηλού σχετικά κόστους, κυρίως σε ότι αφορά την αποµάκρυνση BOD και διαλυµένων 29 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη στερεών κατά την επεξεργασία υγρών αποβλήτων. Αντίθετα, τα συστήµατα αυτά υστερούν σε ότι αφορά την αποµάκρυνση ΝΗ3, που πιθανόν οφείλεται σε περιορισµένο εφοδιασµό µε οξυγόνο. Γι’ αυτό, απαιτείται πρόσθετη ερευνητική εργασία προσδιορισµού του κατάλληλου σχεδιασµού σε περιπτώσεις εξειδικευµένων συστηµάτων αποµάκρυνσης ειδικών συστατικών – ρυπαντών των αποβλήτων (Brown and Reed, 1994). Στα συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων ο σχεδιασµός των βασικών παραµέτρων, όπως είναι ο υδραυλικός χρόνος κατακράτησης, η γεωµετρία (µήκος και πλάτος λεκάνης), η ταχύτητα του φορτίου BOD5 και η ταχύτητα υδραυλικού φορτίου, τυγχάνουν πρωτίστης σηµασίας. Βάθος Νερού Στα συστήµατα FWS, το βάθος του νερού εξαρτάται από το βάθος, που απαιτείται για την ανάπτυξη της φυτικής βλάστησης που επιλέγεται. Γενικά σε ψυχρά κλίµατα, το λειτουργικό βάθος αυξάνει στη διάρκεια του χειµώνα, ώστε να επιτρέπεται η επιφανειακή ανάπτυξη πάγου και ο κατάλληλος αυξηµένος χρόνος κράτησης, που απαιτείται υπό τέτοιες συνθήκες. Γι’ αυτό, στα FWS συστήµατα, πρέπει κατά το σχεδιασµό τους να προβλέπεται µια κατασκευή εξόδου που να επιτρέπει µεταβαλλόµενο λειτουργικό βάθος. Εκτιµάται ότι ένα έχει τη δυνατότητα, ώστε να λειτουργεί σε βάθος 0.1m τους θερινούς µήνες, και 0.3m τους χειµερινούς. Στα συστήµατα τύπου SFS το βάθος τους σχεδιάζεται έτσι, ώστε να ελέγχεται το βάθος ριζοβολίας της φυτικής βλάστησης, επειδή η τροφοδοσία µε οξυγόνο διενεργείται ουσιαστικά δια µέσου του ριζικού συστήµατος. Γεωµετρία και Έκταση Λεκάνης: Η γεωµετρία της λεκάνης εξαρτάται από τον τύπο του συστήµατος (FWS ή SFS). Γι’ αυτό, οι τύποι των δύο συστηµάτων µελετούνται στη συνέχεια χωριστά. Συστήµατα FWS: Γενικά, στα συστήµατα FWS, κύρια πηγή οξυγόνου είναι η ελεύθερη επιφάνεια τους, αλλά η ύπαρξη βιολογικής βλάστησης παρεµποδίζει τον επιφανειακό επαναερισµό, που είναι δυνατό να διενεργείται µε τον άνεµο. Γι’ αυτό θα πρέπει να εφαρµόζονται µικρά οργανικά φορτία, µέχρι 11kg/στρ.d (Reed et al, 1984). Αντίθετα, η ύπαρξη φυτικής βλάστησης επιδρά ανασταλτικά στην ανάπτυξη αλγών. Η αποµάκρυνση των στερεών σε αιώρηση οφείλεται κυρίως στο µηχανισµό της καθίζησης και διενεργείται, κυρίως, σε µικρές αποστάσεις από το σηµείο εισροής του αποβλήτου στο σύστηµα. Η αποµάκρυνση του αζώτου οφείλεται, κυρίως στις διεργασίες της νιτροποίησης – απονιτροποίησης και λιγότερο στην πρόσληψη του από τα φυτά, και γι’ αυτό, εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από την ταχύτητα εφαρµογής του οργανικού φορτίου και το χρόνο κράτησης. Ακόµη και όταν τα φυτά που χρησιµοποιούνται συγκοµίζονται περιοδικά, η αποµάκρυνση αζώτου, που οφείλεται, στην πρόσληψη του από τα φυτά, αντιπροσωπεύει ένα ποσοστό 1015% της συνολικής αποµάκρυνσης του (Reed et al, 1987). Τέλος, η αποµάκρυνση του φωσφόρου σε τέτοια συστήµατα είναι περιορισµένη, εξαιτίας της περιορισµένης επαφής του αποβλήτου µε το έδαφος. Οδηγίες για µια σταθερή αναλογία πλάτους/µήκους δεν έχουν ακόµη καθορισθεί. Μια σχετική µελέτη, που έχει ανακοινωθεί, συνιστά επιµήκεις λεκάνες µε αναλογία πλάτος/µήκος = 1/10 για την επίτευξη ικανοποιητικής επεξεργασίας (EPA, 2002). Με τη χρήση λεκανών µικρού πλάτους και µεγάλου σχετικά µήκους ελαττώνεται το δυναµικό για περιορισµένη κυκλοφορία. Αυτό συνεπάγεται αυξηµένη συγκέντρωση φορτίου στην είσοδο της λεκάνης, που µπορεί να οδηγήσει σε υπερφορτώσεις ιδιαίτερα στην περίπτωση που γίνεται υπέρβαση των κριτηρίων των σχετικών µε τα εφαρµοζόµενα φορτία. Για την αποφυγή υπερφορτώσεων 30 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη στην είσοδο της λεκάνης µπορεί να χρησιµοποιηθεί ένα οφιοειδές κυκλικό κανάλι για σταδιακή τροφοδοσία. Τέτοια τυπικά συστήµατα έχουν συνολικό πλάτος ισοδύναµο µε το µήκος της λεκάνης. Το πλάτος τους διαχωρίζεται σε πολλαπλάσιες (τουλάχιστον δύο) παράλληλες λεκάνες µε αναχώµατα για καλύτερο υδραυλικό έλεγχο και λειτουργική ευκαµψία. Επίσης, µε τις πολλαπλές λεκάνες δίνεται η δυνατότητα να τίθενται εκτός λειτουργίας τµήµατα του συστήµατος για διάφορους διαχειριστικούς λόγους, όπως είναι η φροντίδα της φυτικής βλάστησης και η συντήρηση της λεκάνης. Συστήµατα SFS: Γενικά στα συστήµατα SFS η επιφάνεια του νερού διατηρείται ακριβώς κάτω από την επιφάνεια του εδάφους ή του χρησιµοποιούµενου µέσου. Η επεξεργασία του υγρού αποβλήτου οφείλεται σε φυσικές και βιοχηµικές αποκρίσεις του µέσου, καθώς επίσης στην επαφή του µε το ριζικό σύστηµα των φυτών (Reed et al, 1988). Τα επίπεδα αποµάκρυνσης είναι ισοδύναµα των συστηµάτων FWS και παρουσιάζουν µειωµένα προβλήµατα, σχετικά µε την ανάπτυξη κουνουπιών και δυσάρεστων οσµών. Για την κατασκευή των υποστρωµάτων χρησιµοποιούνται κυρίως έδαφος, άµµος και διάφορα άλλα χονδρόκοκκο ή ακόµη και πλαστικά ή άλλα αδρανή υλικά. Ρυθµός Εφαρµογής Φορτίου BOD5: Όπως στα συστήµατα επιφανειακής ροής, έτσι και σε αυτά των τεχνητών υγροβιότοπων, τα φορτία BOD5 θα πρέπει να ρυθµίζονται έτσι ώστε η ζήτηση οξυγόνου στο εφαρµοζόµενο απόβλητο να µην υπερβαίνει την ικανότητα µεταφοράς οξυγόνου µε τη φυτική βλάστηση. Επίσης, απαιτείται εµπειρία στη χρήση των κριτηρίων έκτασης – φορτίου (µάζα/ επιφάνεια x χρόνο), επειδή το πραγµατικό φορτίο δεν εφαρµόζεται οµοιόµορφα αλλά, συνήθως, παρατηρούνται αυξηµένες συγκεντρώσεις του κυρίως στις εισόδους, ενώ το οξυγόνο ουσιαστικά τροφοδοτείται οµοιόµορφα σε όλη την έκταση του συστήµατος. Εκτιµούµενοι ρυθµοί µεταφοράς οξυγόνου για αναφυόµενα φυτά κυµαίνονται από 5 έως 45 g/m2.d µε µια µέση τιµή 20 g/m2.d, που θεωρείται τυπική για τα περισσότερα συστήµατα (EPA, 2002). Έτσι, αυτός ο ρυθµός µεταφοράς οξυγόνου είναι συγκρίσιµος µε τον ρυθµό µεταφοράς οξυγόνου σε συστήµατα σταλαγµατικών φίλτρων, που είναι της τάξης 28.54 g/m2.d (Schroeder, 1977). Το οξυγόνο µεταφέρεται από εκτιθεµένα στην ατµόσφαιρα φύλλα και στελέχη των φυτών στο ριζικό τους σύστηµα. Στα συστήµατα SFS που οι ρίζες των φυτών είναι σε επαφή µε την ροή της εκροής του εφαρµοζόµενου αποβλήτου, το µεταφερόµενο οξυγόνο στο ριζικό σύστηµα είναι διαθέσιµο στους µικροοργανισµούς που αποικούν σε αυτό και αποικοδοµούν το διαλυµένο BOD στην εκροή επαφής. Το βιολογικό απαιτούµενο οξυγόνο πρέπει να προσδιορίζεται στη βάση της τελικής απαίτησης, BOD5. Βασιζόµενη σε µια αναλογία BODu/BOD5 = 1.5, ο µέγιστος ρυθµός εφαρµοζόµενης BOD5 σε ένα σύστηµα SFS πρέπει θεωρητικά να µην υπερβαίνει τα 13.3 kg/στρ.d. Τυπικά, το ανώτατο συνιστώµενο όριο είναι 11kg/στρ.d (EPA, 2002). Επειδή το φορτίο BOD παρουσιάζει αυξηµένη συγκέντρωση στην είσοδο του συστήµατος, συνίσταται όπως το τελικό φορτίο BOD να µην υπερβαίνει το ήµισυ του ρυθµού µεταφοράς οξυγόνου (Reed et al, 1988). Βασιζόµενοι σε αυτό το κριτήριο και σε µια αναλογία BODu/BOD5 = 1.5, ο µέγιστος ρυθµός φορτίου BOD5 θα πρέπει να µην υπερβαίνει τα 6.65 kg/στρ.d. Για συστήµατα που επεξεργάζονται υγρά απόβλητα µε σηµαντικό κλάσµα οργανικών στερεών που καθιζάνουν, το φορτίο θα πρέπει να είναι ακόµη µικρότερο και να διανέµεται κατά µήκος της λεκάνης µε σταδιακή τροφοδοσία, έτσι ώστε να αποφεύγεται η επικράτηση αναερόβιων συνθηκών στην κορυφή - είσοδο της λεκάνης του συστήµατος. Στα συστήµατα FWS, ο εφοδιασµός µε οξυγόνο σε µια θεωρούµενη στήλη νερού είναι περιορισµένος σε σύγκριση µε τα συστήµατα SFS. Αυτό οφείλεται στο ότι το ριζικό σύστηµα ευρίσκεται στο εδαφικό υπόστρωµα κάτω από τη στήλη νερού και το 31 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη µεταφερόµενο σε αυτό οξυγόνο καταναλώνεται στο εκτεταµένο περιβάλλον, που συνήθως παρατηρείται σε συστήµατα υγροβιότοπων. Επίσης, η µεταφορά οξυγόνου δια µέσου της επιφάνειας του εδάφους µε επαναερισµό, που προκαλείται µε τον άνεµο και την φωτοσύνθεση, είναι περιορισµένη, εξαιτίας της παρουσίας πυκνής φυτικής βλάστησης. Έτσι, συστήµατα τύπου FWS µε πλήρη φυτική βλάστηση είναι κατάλληλα µόνο για µέσους ρυθµούς φορτίου BOD. Συνιστώνται κατά το σχεδιασµό τους φορτία, που να µην υπερβαίνουν το όριο των 6.65 kg/στρ.d. Αυξηµένη µεταφορά οξυγόνου µπορεί να επιτευχθεί σε συστήµατα µε αυξηµένο πλάτος λεκάνης και χρησιµοποίηση εναλλακτικών τµηµάτων µε, ή χωρίς, φυτική βλάστηση, για βελτίωση του επιπέδου αποµάκρυνσης αζώτου. Ταχύτητα Υδραυλικού Φορτίου: Σε συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων η ταχύτητα του υδραυλικού φορτίου εφαρµογής , Lw, δεν είναι συνήθως πρωταρχική παράµετρος σχεδιασµού, αλλά είναι χρήσιµη, κυρίως για τη σύγκριση διαφόρων συστηµάτων µεταξύ τους. Οι ταχύτητες υδραυλικού φορτίου, που χρησιµοποιούνται στη πράξη, κυµαίνονται από 15 έως 50m3/στρ.d (EPA, 2002). Το αντίστροφο της ταχύτητας του υδραυλικού φορτίου, δηλαδή η ειδική έκταση, Ac χρησιµοποιείται επίσης, για τη σύγκριση µελετών διαφόρων συστηµάτων και ταχείς προκαταρκτικούς προσδιορισµούς για την απαιτούµενη έκταση. Η απαιτούµενη ειδική έκταση, στην πράξη, κυµαίνεται από 0.21 έως 0.69 στρ./(103 m3.d). 2.5 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ Ένας υγροβιότοπος αποτελεί ένα πολύπλοκο σύνολο νερού, φυτών (αγγειακών και φυκιών), φυτικών ουσιών, ασπόνδυλων (κυρίως έντοµα και σκουλήκια) και µικροοργανισµών (κυρίως βακτήρια). Οι µηχανισµοί που βελτιώνουν την ποιότητα του νερού είναι πολυάριθµοι και συχνά σχετίζονται µεταξύ τους. Οι µηχανισµοί αυτοί περιέχουν (Μetcalf and Eddy, 1991): • • • • • • «Τακτοποιηµένο» υλικό µε ξεχωριστά σωµατίδια ∆ιύλιση και χηµική καθίζηση µέσω της επαφής του νερού µε το υπόστρωµα και τις ουσίες του Χηµική µετατροπή Προσρόφηση και ανταλλαγή ιόντων στις επιφάνειες των φυτών, των υποκλινών, των ιζηµάτων και των ουσιών που βρίσκονται στο έδαφος Αποσύνθεση, µετασχηµατισµό και λήψη των ρυπαντών από µικροοργανισµούς και φυτά Θήρευση και φυσικός θάνατος των παθογόνων µικροοργανισµών Η πιο αποτελεσµατική χρήση των υγροβιότοπων είναι αυτή που υιοθετεί τους παραπάνω µηχανισµούς. Οι τεχνητοί υγροβιότοποι είναι οικονοµικά εφικτοί για πολλούς λόγους: • • • • • • • Οι υγροβιότοποι µπορεί να είναι λιγότερο ακριβοί για να κατασκευασθούν σε σχέση µε άλλες επιλογές που αφορούν την επεξεργασία υγρών αποβλήτων Τα έξοδα συντήρησης και λειτουργίας (ενέργεια και εφόδια) είναι χαµηλά Η λειτουργία και η συντήρηση που απαιτούν είναι περιοδική κι όχι συνεχής εργασία Οι υγροβιότοποι είναι δυνατόν να αντιµετωπίσουν διακυµάνσεις στην παροχή Οι υγροβιότοποι είναι ικανοί να χρησιµοποιούν τα νερά µε χαµηλή οργανική φόρτιση (πολύ χαµηλή για ενεργό ιλύ) ∆ιευκολύνουν την ανακύκλωση και επαναχρησιµοποίηση του νερού. Παρέχουν κατοικία σε πολλούς οργανισµούς 32 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων • • • Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Μπορούν να κατασκευασθούν ώστε να δένουν αρµονικά στον περιβάλλοντα χώρο της περιοχής Παρέχουν πολυάριθµα πλεονεκτήµατα µαζί µε τη βελτίωση της ποιότητας του νερού, όπως η αποίκηση άγριας ζωής και η αισθητική αύξηση των ανοικτών χώρων Είναι µια περιβαλλοντικά ευαίσθητη προσέγγιση που γίνεται δεκτή µε ικανοποίηση από το κοινό όταν πληροφορηθούν τα θετικά της στοιχεία Η αποτελεσµατική χρήση των υγροβιότοπων εξαρτάται από την κατάλληλη προεπεξεργασία των αποβλήτων, τις συντηρητικές συνιστώσες και τα υδραυλικά ποσοστά φόρτισης, τη συλλογή πληροφοριών για την αποτίµηση του συστήµατος παραγωγής και τη γνώση επιτυχηµένων στρατηγικών λειτουργιών. Μια κοινή δυσκολία που χαρακτηρίζει τους τεχνητούς υγροβιότοπους είναι η δυσκολία παροχής οξυγόνου µέσα στο νερό. Όταν οι υγροβιότοποι είναι υπερφορτισµένοι από τα λύµατα τα οποία απαιτούν οξυγόνο ή λειτουργούν σε µεγάλο βάθος, δηµιουργούνται µειωµένες συνθήκες οξυγόνωσης στα ιζήµατα έχοντας ως αποτέλεσµα το φυτικό στρες και τη µειωµένη µετακίνηση για τη ζήτηση του βιοχηµικού οξυγόνου και δέσµευση αζώτου αµµωνίας (Βαρκάς, 2007). 2.6 ΓΕΝΙΚΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Έλεγχος φορέων εντόµων Τα συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων επιφανειακής ροής αποτελούν ιδεώδεις κατοικίες αναπαραγωγής κουνουπιών. Κατά το σχεδιασµό τους, πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή αφού τα κουνούπια µπορούν να γίνουν φορείς µεταδόσεως νόσων στις γύρω κοινότητες. Η φύση του υγροβιότοπου επηρεάζει τα είδη των κουνουπιών που αναπτύσσονται και το ρυθµό αναπαραγωγής τους. Καινούριοι υγροβιότοποι στους οποίους αναπτύσσεται βλάστηση µπορεί να παρέχουν κατάλληλες συνθήκες για κάποια παθογενή είδη και να παράγεται µεγάλος αριθµός κουνουπιών µέσα σε λίγες εβδοµάδες. Υγροβιότοποι µε πιο σταθερές συνθήκες ροής στους οποίους έχει αναπτυχθεί ένα σύνθετο οικοσύστηµα µε διάφορα είδη ζώων και φυτών, γενικά φιλοξενούν µικρότερο αριθµό κουνουπιών αν και σε αυτούς µπορεί να εµφανισθεί µεγαλύτερη ποικιλία ειδών. Συγκεκριµένα, είναι δυνατόν να καταστούν φορείς διαφόρων ειδών παθογενών οργανισµών όπως ορισµένων πρωτοζώων (Μαλάρια), νηµατοειδών (Φιλάρια) και κάποιων ιών (κυρίως ιών εγκεφαλίτιδας) (Walton, 2003). Είναι χαρακτηριστικό ότι στους τεχνητούς υγροβιότοπους η πυκνότητα κουνουπιών µπορεί να είναι σηµαντικά µεγαλύτερη από αυτή που αναπτύσσεται σε φυσικούς υγροβιότοπους. Τα κυριότερα είδη που αφορούν τη δηµόσια υγεία είναι τα Anofeles spp., Culex spp., Coquillettidia και Mansonia. Μολονότι υπάρχουν πολλοί παράγοντες που σχετίζονται µε ασθένειες που οφείλονται στα κουνούπια, ο κυριότερος που λαµβάνεται υπόψη στην ανάλυση επικινδυνότητας είναι η πυκνότητα του πληθυσµού τους. Είναι πολύ δύσκολο να καθορισθεί ένα ανώτατο όριο πέρα από το οποίο ο πληθυσµός των κουνουπιών αποτελεί κίνδυνο για τη δηµόσια υγεία γιατί η επικινδυνότητα σχετίζεται σε µεγάλο βαθµό και µε την υπό µελέτη περιοχή. Η ανάλυση επικινδυνότητας απαιτεί ολοκληρωµένη παρακολούθηση, αναγνώριση των ειδών που εµφανίζονται, αξιολόγηση τόσο του ρυθµού µε τον οποίο αυτά αναπτύσσονται όσο και της πιθανότητας να έρθουν σε επαφή µε ανθρώπους και ζώα (Ντεντιδάκης, 2000). Έτσι, ο σχεδιασµός των συστηµάτων αυτών πρέπει να περιλαµβάνει βιολογικό έλεγχο κουνουπιών, όπως η δηµιουργία συνθηκών ανάπτυξης του είδους ψαριού Gambusia afinis, σε συνδυασµό βέβαια µε χηµικό έλεγχό τους. Σηµειώνεται ότι είναι απαραίτητα επίπεδα διαλυµένου οξυγόνου άνω του 1 mg/L για τη διατήρηση πληθυσµού ψαριών αυτού του είδους. Επίσης, αραίωση της φυτικής βλάστησης ίσως θεωρείται 33 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη απαραίτητη για τον περιορισµό τµηµάτων, που δεν είναι προσιτά στην ανάπτυξη ιχθυοπληθυσµού (Αγγελάκης και Tchobanoglous, 1995). Στον υγροβιότοπο επιφανειακής ροής στην Arcata της Καλιφόρνιας χρησιµοποιήθηκε µε επιτυχία το ψάρι Gambusia και µια χρυσαλίδα (Altosid) για τον έλεγχο των κουνουπιών. Βακτηριακά εντοµοκτόνα (Bacillus thuringiensis israeliensis και B. Sphaericus) έχουν χρησιµοποιηθεί επιτυχώς σε αρκετά συστήµατα υγροβιότοπων. Η χρήση του B. thuringiensis συστήθηκε προς χρήση µετά από δοκιµές µε αρκετά εντοµοκτόνα σε συστήµατα υγροβιότοπων στο Kentucky. Οι κλίσεις των επιφανειών των περιεχόµενων αναχωµάτων πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο απότοµες και οποιαδήποτε βλάστηση στις επιφάνειες αυτές πρέπει να ελέγχεται. Η παρουσία φυτικών ειδών όπως η λήµνα (duckweed) είναι δυνατόν να συµβάλλει επίσης στον έλεγχο των εντόµων καλύπτοντας την επιφάνεια του νερού, όµως αυτό θα παρέµβει και στη µεταφορά οξυγόνου από την ατµόσφαιρα (Ντεντιδάκης, 2000). Ο έλεγχος των κουνουπιών µε χρήση ψαριών είναι σχετικά εύκολος σε τεχνητούς υγροβιότοπους υπό τον όρο ότι τα µόνιµα ύδατα εκρέουν και αποφεύγονται ιδιαίτερα ανοξικές συνθήκες. Πολλοί υγροβιότοποι που λαµβάνουν µόνο εισροές µη σηµειακής ρύπανσης ίσως περιοδικά καταστούν ξηροί, µε αποτέλεσµα την ολική απώλεια των πληθυσµών ψαριών που τρέφονται µε κουνούπια. Χωρίς φυσικό ή τεχνητό εφοδιασµό µε τα ψάρια αυτά, οι τεχνητοί υγροβιότοποι είναι πιθανόν να καταλήξουν σε ιδιαίτερα αρνητικές συνθήκες όταν είναι τοποθετηµένοι κοντά σε κατοικηµένες περιοχές (Knight, 1992). Εξατµισοδιαπνοή Ένα σηµαντικό πλεονέκτηµα των υγροβιότοπων στην επεξεργασία υγρών αποβλήτων είναι οι απώλειες λόγω εξατµισοδιαπνοής. Ως εξατµισοδιαπνοή ορίζεται το µέρος εκείνο των κατακρηµνισµάτων που επανέρχεται στην ατµόσφαιρα εξατµιζόµενο είτε από την ελεύθερη επιφάνεια του υγροβιότοπου είτε από τη διαπνοή των φυτών (∆ιαµαντής, 1999). Οι απώλειες αυτές δύναται να είναι αρκετά σηµαντικές, εποµένως είναι αναγκαίο να τις λαµβάνουµε σοβαρά υπ’ όψιν για το σωστό σχεδιασµό του συστήµατος. Η εξατµισοδιαπνοή αυξάνει το χρόνο παραµονής και τη συγκέντρωση των διαλυµένων συστατικών των αποβλήτων, ενώ σηµαντικό πρόβληµα µπορεί να προκληθεί όταν η εισερχόµενη παροχή των αποβλήτων είναι µικρότερη της εξατµισοδιαπνοής και δεν έχουµε βροχοπτώσεις (Ντεντιδάκης, 2000). Ατµοσφαιρική ρύπανση Οι τεχνητοί υγροβιότοποι κι ιδιαίτερα οι επιφανειακής ροής, λειτουργούν ως χαµηλής απόδοσης «εξαεριστές» (air strippers). Πτητικά συστατικά εγκαταλείπουν τα υγρά απόβλητα και εισέρχονται στην ατµόσφαιρα µετατρέποντας µε αυτόν τον τρόπο ένα ρύπο του νερού σε ατµοσφαιρικό ρύπο. Οπότε, είναι απαραίτητο να ληφθεί υπ’ όψιν η πιθανότητα υποβάθµισης του αέρα µέσω αυτής της διεργασίας. Για οργανικούς ρύπους χαµηλών συγκεντρώσεων, η αέρια ρύπανση που δηµιουργείται µε αυτόν τον τρόπο είναι αµελητέα. Όµως, στην περίπτωση εξαέρωσης της αµµωνίας είναι δυνατόν να προκληθεί τοπική ανησυχία. Μάλιστα, υπάρχει πιθανότητα, στο µέλλον, οι νόµοι που θα αφορούν την ποιότητα του αέρα να απαιτούν σχεδιαστικούς περιορισµούς που θα βασίζονται στις εκποµπές πτητικών ουσιών (Kadlec, 1999). Περιορισµοί ψυχρού κλίµατος Μολονότι πολλοί τεχνητοί υγροβιότοποι στον πλανήτη βρίσκονται σε εύκρατες και ψυχρέςεύκρατες ζώνες, αυτές οι κλιµατικές συνθήκες δεν είναι ιδανικές για επεξεργασία αποβλήτων. Όλες οι χηµικές αντιδράσεις επιβραδύνονται όσο η θερµοκρασία ελαττώνεται κι 34 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη αυτό συµβαίνει για τις διεργασίες που λαµβάνουν χώρα στους τεχνητούς υγροβιότοπους (www.fujitaresearch.com, Mæhlum et al.,1995). Σχηµατισµός πάγου Ο πάγος έχει απρόβλεπτες επιδράσεις στους τεχνητούς υγροβιότοπους, ιδιαίτερα στους επιφανειακής ροής. Σε χιονώδη κλίµατα, αν αρκετό χιόνι συσσωρεύεται γύρω από τα φυτά κτλ., τότε η πήξη του νερού που βρίσκεται από κάτω εµποδίζεται σηµαντικά. Εντούτοις, αν ο πάγος σχηµατίζεται γύρω από τους µίσχους φυτών (και συγκρατείται από αυτούς) τότε ο πάγος αυξάνεται προς τα κάτω εντός του νερού, προκαλώντας τα όρια του νερού να χαµηλώσουν ταχύτατα. Η στένωση της ροής µπορεί να οδηγήσει σε πληµµύρα, περαιτέρω πήξη και υδραυλική αποτυχία. Αυτό µπορεί να αποφευχθεί µε εφαρµογή οριζόντιας ροής τύπου υγροβιότοπων µε µεγαλύτερο βάθος νερού το χειµώνα. Πρωταρχικά αποτελέσµατα από αριθµητικά µοντέλα επίσης προτείνουν ότι η κάλυψη επιφανειακής ροής υγροβιότοπων µε πολυστυρένιο (XPS, 10 cm) είναι επαρκής να αποτρέψει το σχηµατισµό πάγου, ακόµη κι αν οι θερµοκρασίες πέφτουν στους -10°C για περιόδους διάρκειας εβδοµάδων. Η ευαισθησία των υγροβιότοπων υπόγειας ροής στα προβλήµατα πάγου είναι µικρότερη σε σχέση µε τα προβλήµατα των επιφανειακής ροής. Η ακόρεστη επιφάνεια στρώµατος λειτουργεί ως µονωτής. Πιστεύεται ότι τα συστήµατα κατακόρυφης ροής µπορούν να αντισταθούν περισσότερο στα προβλήµατα που δηµιουργεί ο πάγος σε σχέση µε τα οριζόντιας ροής (www.fujitaresearch.com). Συνέπειες τήξης Ένα δεύτερο πρόβληµα µε τους υγροβιότοπους ψυχρών κλιµάτων είναι η τήξη που παρατηρείται την άνοιξη. Η σοβαρότητα του προβλήµατος εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από το µέγεθος της περιοχής συλλογής αποβλήτων για τον υγροβιότοπο. Αν η περιοχή συλλογής είναι µεγάλη, η τήξη θα µειώσει σε έντονο βαθµό το χρόνο παραµονής των αποβλήτων εντός του συστήµατος. Αυτό µε τη σειρά του επηρεάζει το επίπεδο µείωσης BOD5 και αποµάκρυνσης θρεπτικών (www.fujitaresearch.com). Βιοχηµικές αντιδράσεις και πρόσληψη θρεπτικών Η θερµοκρασία επηρεάζει το ρυθµό µε τον οποίο λαµβάνουν χώρα οι βιογεωχηµικές διεργασίες. Σε ψυχρά κλίµατα, ο ρυθµός µε τον οποίο η βιοµάζα απορροφά θρεπτικά θα είναι σηµαντικά χαµηλότερος σε σχέση µε τα θερµά, υποτροπικά ή τροπικά κλίµατα. Στην πραγµατικότητα, η επιφάνεια επεξεργασίας που απαιτείται ώστε να µεταφέρει το 90% των θρεπτικών στη βιοµάζα αυξάνεται από περίπου 7 ha στους 20°C στα 35 ha στους 0°C. Εντούτοις, αυτό δεν είναι πρακτικά σηµαντικό αν δεν απαιτείται ανακύκλωση θρεπτικών (www.fujitaresearch.com). Αξιολόγηση των διαδικασιών έµφραξης υποστρώµατος Πέραν πάσης αµφιβολίας, το µεγαλύτερο λειτουργικό πρόβληµα των τεχνητών υγροβιότοπων στις ηµέρες µας είναι οι εµφράξεις (clogging) της επιφάνειας του φίλτρου κλινών κατακόρυφης ροής. Ο όρος «έµφραξη υποστρώµατος» περιλαµβάνει πολλές διεργασίες που οδηγούν σε µείωση της ικανότητας διήθησης της επιφάνειας του υποστρώµατος. Η έµφραξη υποστρώµατος οδηγεί σε εξαιρετικά γρήγορη αποτυχία της απόδοσης επεξεργασίας του συστήµατος. Η αιτία της αποτυχίας είναι το περιορισµένο απόθεµα οξυγόνου σε έναν φραγµένο τεχνητό υγροβιότοπο. Η λειτουργία των τεχνητών υγροβιότοπων σε υψηλούς ρυθµούς φόρτισης χωρίς τη δηµιουργία προβληµάτων έµφραξης για µεγάλη περίοδο µπορεί συνεπώς να θεωρηθεί ως µια από τις σηµαντικότερες µελλοντικές έρευνες στην τεχνολογία τεχνητών υγροβιότοπων (Langergraber et al., 2003). 35 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Οι κύριοι λόγοι που οδηγούν σε έµφραξη είναι η συσσώρευση αιωρούµενων στερεών και η περίσσεια παραγωγή ιλύος των περιεχόµενων µικροοργανισµών. Επίσης, η χηµική κατακρήµνιση και εναπόθεση στους πόρους, η ανάπτυξη ριζωµάτων και ριζών µπορούν να φράξουν ένα µέρος του υδραυλικά ενεργού όγκου πόρων. Ο σχηµατισµός και η συσσώρευση χουµικών ουσιών επίσης θεωρείται ότι παίζει ρόλο έως ένα ορισµένο σηµείο. Όλοι οι µηχανισµοί οδηγούν σε εσωτερικό και εξωτερικό µπλοκάρισµα του υποστρώµατος του φίλτρου µε τη µείωση του ενεργού όγκου πόρων και εποµένως µειώνοντας την υδραυλική αγωγιµότητα του υποστρώµατος. Έτσι, οι πόροι δεν µπορούν να αεριστούν όπως θα ήταν απαραίτητο για την επεξεργασία του υγρού αποβλήτου µε νιτροποίηση. Οι ακόλουθες παράµετροι επηρεάζουν την έµφραξη υποστρώµατος (Langergraber et al., 2003): • Υπόστρωµα: Είναι φανερό ότι η κατανοµή του µεγέθους των κόκκων έχει καθοριστική επίδραση στην κατανοµή µεγέθους των πόρων, στον υδραυλικά ενεργό όγκο πόρων και συνεπώς στη διεργασία έµφραξης. • Φορτίο ΑΣ: Η φόρτιση ΑΣ έχει αναφερθεί ως ένας από τους κυριότερους παράγοντες που επηρεάζουν. • Οργανικό φορτίο: Το οργανικό υλικό οδηγεί σε παραγωγή ιλύος (περίσσεια ιλύος µικροοργανισµών) που θα συσσωρεύονται εντός του άνω στρώµατος του τεχνητού υγροβιότοπου. • Στρατηγικές τροφοδοσίας: Φαίνεται να υπάρχει σηµαντική επίδραση του αριθµού τροφοδοσιών ανά ηµέρα και της ποσότητας µιας απλής τροφοδοσίας, στην ικανότητα φίλτρανσης του υποστρώµατος. 36 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη 3. ΧΛΩΡΙ∆Α & ΠΑΝΙ∆Α ΣΤΟΥΣ ΤΕΧΝΗΤΟΥΣ ΥΓΡΟΒΙΟΤΟΠΟΥΣ 3.1 ΧΛΩΡΙ∆Α Στους τεχνητούς υγροβιότοπους επεξεργασίας ρυπασµένων υδάτων µπορεί να χρησιµοποιηθεί µια αρκετά µεγάλη ποικιλία φυτών. Η επιλογή τους εξαρτάται από µια σειρά χαρακτηριστικών των φυτών καθώς επίσης κι από τα χαρακτηριστικά του υγροβιότοπου. Σύνηθες είναι τα φυτά που επιλέγονται να αποτελούν χαρακτηριστικά δείγµατα της τοπικής χλωρίδας. Αυτό συµβαίνει τόσο για οικονοµικό όφελος, όσο και λόγω της ασφάλειας που προσδίδει αυτή η επιλογή. Η ασφάλεια αυτή οφείλεται στο ότι ένα ιθαγενές είδος µπορεί να εγκαθιδρυθεί ευκολότερα και µε µεγαλύτερο ποσοστό επιτυχίας σε σχέση µε κάποιο που µεταφέρεται από µια άλλη περιοχή. Επίσης, η εισαγωγή νέου φυτικού είδους στην περιοχή ενέχει και άλλους κινδύνους µε σηµαντικότερο την πιθανή παρασιτική επέκταση του είδους αυτού και την αλλοίωση του περιβάλλοντος βιότοπου (Ντεντιδάκης, 2000). Έχει καταστεί εµφανές ότι οι περιοχές µε πυκνή βλάστηση αποµακρύνουν περισσότερο τους ρυπαντές από ότι περιοχές µε αραιή βλάστηση. Το πόρισµα αυτής της παρατήρησης είναι ότι τα φυτικά είδη που επιβιώνουν καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους έχουν καλύτερες αποδόσεις από αυτά που πεθαίνουν κάτω από το νερό µε την έναρξη των χαµηλών θερµοκρασιών. Για αυτούς τους λόγους, τα γρήγορα ανεπτυγµένα ανερχόµενα είδη, που έχουν υψηλή ποσότητα λιγνίνης και προσαρµόζονται στα µεταβαλλόµενα βάθη νερού είναι πιο κατάλληλα για τα συστήµατα επεξεργασίας των τεχνητών υγροβιότοπων. Τα γένη των φυτών που ικανοποιούν τα κριτήρια αυτά είναι τα Typha, Scirpus, Phragmites (Ντεντιδάκης, 2000; Ζουραράκη, 2002). Μόνο µια µικρή ποσότητα της βασικής φυτικής πυκνότητας φυτεύεται στον υγροβιότοπο. Οι ποσότητες των φυτών αυτών κυµαίνονται από 1000 έως 25000 φυτά ανά εκτάριο (ha). Μέσω της φυτικής αναπαραγωγής τα φυτά επεκτείνονται ώστε να αποκτήσουν πυκνότητα πάνω από 106 φυτών ανά ha. Όταν ο πρώτος γύρος των φυτών ωριµάζει και πεθαίνει, τα ριζώµατα βγάζουν καινούριους βλαστούς διατηρώντας µε αυτόν τον τρόπο τη βλάστηση του υγροβιότοπου. Οι περισσότεροι τεχνητοί υγροβιότοποι έχουν επίσης αποικιακά είδη φυτών γύρω από τις ρηχές άκρες και σε περιοχές που δεν υπάρχει βλάστηση. Μολονότι αυτά τα είδη φυτών δεν καλύπτουν µεγάλο µέρος του υγροβιότοπου, προβάλλουν κάποια αντίσταση ενάντια στα παθογόνα φυτά, παρέχουν σηµαντική κατοικία για την άγρια ζωή και καταλαµβάνουν το µέρος των περιοχών που τα κυρίαρχα φυτά ίσως να µην το καταλάµβαναν κάτω από διαφορετικές συνθήκες (Ντεντιδάκης, 2000). Αν ο υγροβιότοπος είναι στη διαδικασία φύτευσης, το κόστος και η διαθεσιµότητα φυτικών ειδών θα πρέπει να ληφθούν υπόψη νωρίς στη διαδικασία σχεδιασµού. Η επιλογή δηµιουργίας ενός φυτωρίου θα πρέπει να γίνει νωρίς επειδή προτιµούνται τα ώριµα φυτά 1 έως 2 χρονών. Αυτά έχουν αποθέµατα ενέργειας για να επιβιώσουν στη διαδικασία µεταφύτευσης. Συνεπώς, η εγκατάσταση του φυτωρίου µπορεί να ολοκληρωθεί πριν από κάποια άλλη κατασκευή (Ζουραράκη, 2002). Τα φυτά που συνήθως χρησιµοποιούνται σε όλα τα είδη των τεχνητών υγροβιότοπων είναι αυτά που απαντώνται στους υπάρχοντες φυσικούς υγροβιότοπους και περιλαµβάνουν διάφορα είδη υδροχαρών φυτών και µπορεί να είναι δενδρώδη, θαµνώδη ή ποώδη. Τα περισσότερο χρησιµοποιούµενα από αυτά τα φυτά είναι οι κοινές καλαµιές (Phragmites sp.) για τους υγροτόπους υπόγειας οριζόντιας και κατακόρυφης ροής και τα ψαθιά ή τύφες (Typha sp.), τα βούρλα ή γιούγκοι (Juncus sp.), τα ψαθιά ή σκίρποι ή σύφες (Scirpus) και οι 37 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη ξιφάρες ή κάρηκες ή σπαθόχορτο (Carex sp.) για τους υγροτόπους µε ελεύθερη επιφάνεια νερού. Επίσης χρησιµοποιούνται, κυρίως όµως στις δεξαµενές σταθεροποίησης, και διάφορα είδη επιπλεόντων φυτών, όπως τα κοινά λήµνα (Lemna sp.), τα νούφαρα (Nuphar sp.), οι υδροχαρείς υάκινθοι (Eicchornea crassipes) καθώς επίσης και διάφορα αισθητικά φυτά, όπως τα διάφορα είδη κρίνων (Zantedeschia aethiopica, Iris pseudacorus, Canna flaccida, Hedychium coronarium) (Καραµούζης, 2006). Τα φυτά αυτά φυτεύονται στο πορώδες στρώµα των λεκανών, οπότε οι ρίζες τους αναπτύσσονται στη ζώνη που καλύπτουν τα λύµατα. Έτσι αυξάνουν τη διαπερατότητα του πορώδους µέσου και το σηµαντικότερο προσθέτουν οξυγόνο στο χώρο, µε τη βοήθεια ειδικών βακτηρίων που αναπτύσσονται στο περιβάλλον αυτό, οπότε αυξάνεται η βιολογική δράση για την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων. Οι µέσες αποστάσεις φύτευσης είναι 60 cm για τα Typha και τα Phragmites, 30-60 cm για τα Juncus και τα Scirpus και 15 cm για τα Carex. Επίσης εδώ θα πρέπει να σηµειωθεί ότι το βάθος ριζοστρώµατος για τα Typha είναι 30-40 cm, για τα Phragmites 60-80 cm και για τα Juncus 60-90 cm. Αυτό το βάθος καθορίζει και το πάχος του πορώδους υλικού, µε το οποίο πληρούνται οι λεκάνες επεξεργασίας των λυµάτων. Επειδή το κυρίαρχο φυτικό είδος αυτών των λεκανών είναι οι καλαµιές, αυτά τα συστήµατα επεξεργασίας λυµάτων ονοµάζονται πολλές φορές και κλίνες καλαµιών (reed beds) (Καραµούζης, 2006). Το ότι δεν µπορεί να χρησιµοποιηθεί οποιοδήποτε δέντρο ή φυτό οφείλεται στο γεγονός ότι µόνο τα συγκεκριµένα φυτά αντέχουν στη συνεχή κατάκλιση µε νερό και γι’ αυτό και βρίσκονται και στους φυσικούς υγροβιότοπους. Πιο αναλυτικά τα φυτά που χρησιµοποιούνται σε τεχνητούς υγροβιότοπους είναι (Τσιχριντζής 2000): Ψαθί (Typha spp.): Πολύ γνωστό φυτό που τα φύλλα του χρησιµοποιούνται από την αρχαιότητα για µια σειρά κατασκευές. Το ψαθί φυτρώνει σε ευτραφή γλυκά νερά, εκεί δηλαδή που υπάρχει πολλή οργανική ύλη. Οι τρυφεροί του βλαστοί αποτελούν σηµαντική τροφή για υδρόβια πουλιά όπως οι νερόκοτες και οι φαλαρίδες (www.ornithologiki.gr). Είναι φυτά µε επιµήκη φύλλα και κυλινδρικά καφέ άνθη. Βρίσκονται παντού, είναι πολύ ανθεκτικά, αναπτύσσονται καλά κάτω από πολλές περιβαλλοντικές συνθήκες και απλώνονται πολύ εύκολα. Είναι ιδεώδη για τεχνητούς υγροβιότοπους (Βαρκάς, 2007). Οικογένεια: Typhaceae Κατάταξη: Μονοκοτυλήδονο Απαιτήσεις σε νερό: Υγρά εδάφη Μέγιστο ύψος: 2 m / 6.6 ft Μέγιστο πλάτος: 1 m / 3.3 ft Εικόνες 3.1 και 3.2 Ψαθί (Typha spp.) (Πηγή: images.google.gr) 38 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Σήφη (Scirpus spp.): Πολυετή φυτά, αναπτύσσονται σε συστάδες. Βρίσκονται παντού και αναπτύσσονται σε ποικίλες συνθήκες, σε γλυκό, υφάλµυρο και αλµυρό περιβάλλον (Βαρκάς, 2007). Εικόνες 3.3 και 3.4 Σήφη (Scirpus spp.) (Πηγή: images.google.gr) Καλάµι (Phragmites spp.): Είναι το είδος που χρησιµοποιείται ως επί το πλείστον στην Ευρώπη. Είναι ψηλά φυτά τύπου χόρτου που αναπτύσσονται ετήσια αλλά έχουν πολυετές ρίζωµα. Είναι το περισσότερο διαδεδοµένο αναδυόµενο φυτό. Οι ακόλουθες ποικιλίες χρησιµοποιούνται στους υγροβιότοπους: Phragmites australis (Εικόνα 1.4), Phragmites communis (Βαρκάς, 2007). Phragmites australis: Υδροχαρές αγρωστώδες φυτό, µε όρθια έκφυση, πράσινα φύλλα και καφέ όρθιες κωνικές ταξιανθίες στο τέλος του καλοκαιριού. Αναπτύσσεται µέσα στο νερό, σε ηλιόλουστες θέσεις. Φυτεύεται στις όχθες λιµνών ή σε µεγάλους υδρόκηπους. Πολλαπλασιάζεται µε διαίρεση. ∆εν προσβάλλεται από ασθένειες (www.gardensandplants.com). Οικογένεια: Poaceae Κατάταξη: Μονοκοτυλήδονο Απαιτήσεις σε νερό: Υγρά εδάφη Μεγ. ύψος: 3 m / 9.8 ft Εικόνες 3.5 και 3.6 Καλάµι (Phragmites spp.) (Πηγή: images.google.gr) 39 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Βούρλο (Juncus spp.): Μονοκοτυλήδονο φυτό του γένους γιούγκος και της οικογένειας των γιουγκιδών. Υπάρχουν περίπου 2000 είδη που φυτρώνουν σε βαλτώδη εδάφη της εύκρατης ζώνης. Είναι φυτά ποώδη, µε βλαστό κυλινδρικό απλό και φύλλα λεπτά και σωληνοειδή που µοιάζουν µε το βλαστό. Στην Ελλάδα φυτρώνουν περίπου 18 είδη. Το βούρλο χρησιµοποιείται ευρύτατα στην καλαθοπλεκτική και τη χειροτεχνία (www.livepedia.gr). Συνήθως χρησιµοποιούνται περιφερειακά στους υγροβιότοπους. Εικόνες 3.7 και 3.8 Βούρλο (Juncus spp.) (Πηγή: images.google.gr) Σπαθόχορτο (Carex spp.): Συνήθως χρησιµοποιούνται περιφερειακά σε υγροβιότοπους. Γένος πολυετών αγρωστόµορφων ποωδών φυτών, που ανήκουν στην οικογένεια των κυπειριδών. Φυτρώνουν µόνα τους σε χαντάκια, σε χέρσους τόπους και στις όχθες των τελµάτων. Οι βλαστοί τους είναι τριγωνικοί και τα φύλλα τους γραµµοειδή και επιµήκη. Τα φύλλα αυτού του φυτού είναι φωτεινά κίτρινα-πορτοκαλί. Τα πέταλα, συνήθως κίτρινα. Οι στήµονες του φυτού έχουν ιδιαίτερη µορφή, µε στερεό κυλινδρικό στέλεχος, µε δύο γραµµές που εξέχουν κατά µήκος. Αυτές οι γραµµές κάνουν τον στήµονα να µοιάζει επίπεδος, πράγµα εντελώς ασυνήθιστο στον κόσµο των φυτών (www.Wikipedia.org). Στην Ελλάδα συναντούνται γύρω στα 40 είδη των φυτών αυτών. Είναι γνωστά µε τις ονοµασίες: ξιφάρες, µαχαιρίδια και σπαθόχορτα. Εικόνες 3.9 και 3.10 Σπαθόχορτο (Carex spp.) (Πηγή: images.google.gr) 40 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Επιπλέοντα φυτά: Λήµνα (Lemna spp.): Η Lemna minor, είναι φυτό για ενυδρεία, αλλά για κάποιους είναι ανεπιθύµητο, γιατί πολύ σύντοµα καλύπτει όλη την επιφάνεια του νερού µε αποτέλεσµα να στερεί το φως από τα υπόλοιπα φυτά. Είναι το πιο µικρό ανθοφόρο φυτό και µε µεγάλη προσαρµοστικότητα όσον αφορά την ποιότητα του νερού αλλά και την ποσότητα του φωτός. Μπορεί να αναπτυχθεί στην σκιά, αλλά και στον ήλιο. Ανήκει στην οικογένεια Lemnaceae. Προτιµά νερά στάσιµα ή µε αργή κίνηση και σχηµατίζει πυκνές οµάδες. Αναπτύσσεται πιο πολύ την άνοιξη και το φθινόπωρο, ενώ το καλοκαίρι, λόγω ζέστης, η ανάπτυξη της είναι πιο αργή. Συνήθως ευρίσκεται σε νερά πλούσια σε θρεπτικά συστατικά, ακόµα και σε στάσιµα νερά που είναι προσωρινά και το καλοκαίρι στεγνώνουν. Όταν το νερό γίνει πολύ λίγο, τότε για ένα διάστηµα µπορεί να διατηρηθεί µε τις ρίζες µέσα στην λάσπη. Αυτό που δεν είναι εύκολο να αντέξουν είναι ο πάγος, φαινόµενο που στα δικά µας κλίµατα δεν είναι και τόσο συχνό. Η ρίζα του είναι µικρή, µέχρι 4 cm και βυθισµένη στο νερό, ενώ µπλέκονται η µια µε την άλλη και µε αυτό τον τρόπο συγκρατούνται τα φύλλα µεταξύ τους και δηµιουργούν ένα παχύ ενιαίο στρώµα. Σε λίµνες µε χρυσόψαρα το µέλλον της δεν είναι εξασφαλισµένο, αφού πολλές φορές την τρώνε, αν δεν υπάρχουν σηµεία που τα ψάρια δεν έχουν πρόσβαση. Είναι πολύ χρήσιµη γιατί είναι ένα φυσικό φίλτρο του νερού, αφού τραβάει πολλά θρεπτικά συστατικά που για το νερό είναι επιβαρυντικά και συνήθως είναι υπεύθυνα για την ανάπτυξη άλγης (www.tsamisaquarium.gr). Εικόνα 3.11 Λήµνα (Lemna spp.) (Πηγή: www.tsamisaquarium.gr) Νούφαρο (Nuphar spp.): Νυµφαία είναι το όνοµα ενός γένους υδρόβιων φυτών της οικογένειας Nymphaeaceae. Το κοινό όνοµα του γένους, το οποίο το µοιράζεται µε µερικά άλλα γένη της ίδιας οικογένειας είναι Νούφαρο. Τα φύλλα της Νυµφαίας έχουν µια ακτινοειδή χαρακιά από την περίµετρο προς το µίσχο που βρίσκεται στο κέντρο του φύλλου. Υπάρχουν περίπου 50 είδη του γένους που εξαπλώνονται σε όλη την υφήλιο. Σήµερα πολλά από τα νούφαρα που βλέπουµε σε υδρόκηπους είναι υβρίδια. Το γένος Nymphaea είναι στενά συνδεµένο µε το γένος Nuphar (απ' όπου προέρχεται και η λέξη νούφαρο). Η διαφορά τους είναι ότι στη Nymphaea τα πέταλα του άνθους είναι µεγαλύτερα από τα σέπαλα, ενώ στο γένος Nuphar τα πέταλα είναι πολύ µικρότερα από τα 46 κίτρινα σέπαλά του. Η ωρίµανση του καρπού τους διαφέρει επίσης, µε τον καρπό της 41 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Νυµφαίας να βυθίζεται κάτω από την επιφάνεια του νερού αµέσως µετά το κλείσιµο του άνθους, ενώ ο καρπός του Nuphar κρατιέται πάνω από το επίπεδο του νερού για να ωριµάσει (www.wikipedia.org). Βασίλειο: Φυτά Συνοµοταξία: Αγγειόσπερµα Οµοταξία: ∆ικοτυλήδονα Τάξη: Νυµφαιώδη Οικογένεια: Νυµφαιοειδή (Nymphaeaceae) Γένος: Νυµφαία ) Εικόνα 3.12 Νούφαρο (Nuphar spp.) (Πηγή: images.google.gr) Υδροχαρείς υάκινθοι (Eicchornea crassipes): Ανήκει στην οικογένεια Pontederiaceae και είναι φυτό της τροπικής ζώνης. Ο µίσχος του έχει µορφή σφαιρική που το βοηθάει να επιπλέει και πάνω σε αυτόν αναπτύσσεται ένα σχεδόν στρογγυλό φύλλο που το µέγεθος του εξαρτάται από τις συνθήκες στις οποίες αναπτύσσεται το φυτό. Το φύλλο µπορεί να φτάσει τα 15 cm διάµετρο, αλλά αυτό δεν γίνεται σε ενυδρείο. Το φυτό µπορεί να επιπλέει στην επιφάνεια του νερού ή να είναι ριζωµένο στον βυθό, αν το νερό είναι αρκετά ρηχό. Οι ρίζες του έχουν µήκος 20 µέχρι 30 cm. Οι απαιτήσεις του στο pΗ και την σκληρότητα είναι ελάχιστες. Σε pΗ µέχρι 9 και µαλακό µέχρι πολύ σκληρό νερό τα πάει µια χαρά, αρκεί να έχει πολύ φως (www.tsamisaquarium.gr). Εικόνα 3.13 Υδροχαρείς υάκινθοι (Eicchornea crassipes) (Πηγή: www.tsamisaquarium.gr) Τα πιο συνηθισµένα φυτά που χρησιµοποιούνται για επεξεργασία νερού είναι τα καλάµια (Phragmites spp.), τα ψαθιά (Typha spp.) και τα βούρλα (Scirpus spp.). Τυπικά φυτά που χρησιµοποιούνται σε τεχνητούς υγροβιότοπους φαίνονται επίσης στο Σχήµα 3.1. Αυτά τα 42 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη φυτά µεταβάλλουν τις συγκεντρώσεις διαλυµένου οξυγόνου (DO) και τη θερµοκρασία του νερού και σκιάζουν τα άλγη. Η βλάστηση ως επί το πλείστον δηµιουργεί πρόσθετα οξικά περιβάλλοντα για µικροβιακούς πληθυσµούς µέσω αύξησης της επιφάνειας του υποστρώµατος στη στήλη νερού και οξυγονώνοντας τα στερεά σωµατίδια γύρω από τις ίνες των ριζών (Bachand and Horne, 2000). Σχήµα 3.1 Σχηµατική απεικόνιση συστήµατος υδροχαρών φυτών (Πηγή: Αγγελάκης και Tchobanoglous, 1995). Συνοπτικά, τα κριτήρια καταλληλότητας των φυτών ώστε να χρησιµοποιηθούν σε έναν τεχνητό υγροβιότοπο είναι (Ντεντιδάκης, 2000): • • • • Οικολογική αποδεκτικότητα, για παράδειγµα µη σηµαντικοί κίνδυνοι εµφάνισης ασθενειών από την παρουσία φυτών ή παρασιτικής διασποράς και λειτουργίας τους και γενικά αποφυγή κινδύνου οικολογικής ή γενετικής αλλοίωσης των περιβαλλόντων φυσικών συστηµάτων. Αντοχή στις τοπικές κλιµατικές συνθήκες, στα ζιζάνια και στις ασθένειες που θα αντιµετωπίσει. Αντοχή στους µολυσµατικούς παράγοντες και στις υπερτροφικές πληµµυρικές συνθήκες. ∆υνατότητα αποµάκρυνσης υψηλού ποσοστού ρύπων, είτε µέσω άµεσης αφοµοιώσεως και αποθήκευσής τους είτε έµµεσα, µέσω εµπλουτισµού των µικροβιακών µετασχηµατισµών και διαδικασιών όπως η νιτροποίηση (µέσω του εµπλουτισµού του ανοξικού περιβάλλοντος µε οξυγόνο προερχόµενο από τις ρίζες των φυτών) και η απονιτροποίηση (µέσω της παραγωγής υποκατάστατων του άνθρακα). 3.2 ΠΑΝΙ∆Α Η πανίδα έχει συνήθως µικρούς αλλά σηµαντικούς ρόλους στη λειτουργία των υγροβιότοπων, ευνοώντας τη βελτίωση της ποιότητας του νερού. Από τα µικροσκοπικά πρωτόζωα έως τα µεγαλύτερα θηλαστικά, τα ζώα καταναλώνουν παραγωγική ενέργεια βιοµάζας, µετατρέπουν µέρος της ενέργειας αυτής σε νέα βιοµάζα και ανακυκλώνουν το µη χρησιµοποιούµενο οργανικό υλικό και την τροφή. Οι ελικοειδείς τροφές χρησιµοποιούνται συνέχεια και µεταλλάσσονται µέχρι να ξαναχρησιµοποιηθούν. Οι καταναλωτές κρατούν τις τροφές σε συνεχή κυκλοφορία και ρυθµίζουν τους πληθυσµούς των χαµηλότερων τροφικών 43 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη επιπέδων µε τρόπο που βελτιώνει το σύστηµα λειτουργίας. Τα συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων που είναι εκτεθειµένα σε τοξίνες ή σε άλλους παράγοντες που εξολοθρεύουν τους καταναλωτικούς πληθυσµούς, έχουν µικρότερες κυκλικές τροφικές λειτουργίες, που µε τη σειρά τους είναι δυνατόν να επηρεάσουν την παραγωγικότητα της ποιότητας του νερού (Ζουραράκη, 2002). Στις περισσότερες περιπτώσεις ο σχεδιαστής του υγροβιότοπου δε χρειάζεται να ανησυχεί για τις τροφικές και αποικιακές ανάγκες των παρόντων ζώων. Όταν αυτοί οι φυσικοί κάτοικοι είναι παρόντες, θα δηµιουργηθεί µια ποικιλία οργανισµών και σε µερικά χρόνια ή λιγότερο θα δηµιουργηθεί ένα ισορροπηµένο οικοσύστηµα υγροβιότοπου που θα έχει λειτουργίες που θα τις ορίζει µόνος του. Εντούτοις, αν το σύστηµα χρήσης του υγροβιότοπου κατασκευασθεί σε µέρος όπου δεν υπάρχουν πηγές ή τα προσαρµοσµένα είδη, ο σχεδιαστής θα πρέπει να προάγει τεχνητή αποίκιση µέσω της εισαγωγής νερού, ιζηµάτων και φυτών που να περιέχουν µικροσκοπικά ζώα και µικρόβια από µακρύτερες πηγές (Ζουραράκη, 2002). Ασπόνδυλα και σπονδυλωτά ζώα µαζεύουν τα θρεπτικά και την ενέργεια παρέχοντας τροφή στα µικρόβια και στη µακροφυτική βλάστηση, µε ανακύκλωση και σε ορισµένες περιπτώσεις µεταφέροντας ουσίες εκτός του συστήµατος υγροβιότοπου. Λειτουργικά, αυτά τα συστατικά έχουν περιορισµένους ρόλους σε µετατροπές ρύπων, αλλά συχνά εξασφαλίζουν ουσιώδη βοηθητικά πλεονεκτήµατα (επαναδηµιουργία / µόρφωση) σε επιτυχηµένα συστήµατα (Hammer, 1992). 3.3 ΜΙΚΡΟΒΙΑΚΟΙ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ Μικρόβια-βακτήρια, µύκητες, άλγη και πρωτόζωα- µεταβάλλουν τους ρύπους ώστε να λαµβάνουν θρεπτικά ή ενέργεια και να εκτελούν τον κύκλο ζωής τους. Επιπλέον, πολλές φυσικά δηµιουργούµενες οµάδες µικροβίων λειτουργούν ως θηρευτές, καταναλώνοντας παθογόνους οργανισµούς. Η αποτελεσµατικότητα των υγροβιότοπων στον καθαρισµό του νερού εξαρτάται από την ανάπτυξη και διατήρηση βέλτιστου περιβάλλοντος για τους επιθυµητούς µικροβιακούς πληθυσµούς. Οι συγκεκριµένοι µικροοργανισµοί απαντώνται στα περισσότερα ύδατα και συνήθως έχουν µεγάλους πληθυσµούς στους υγροβιότοπους και στα ρυπασµένα µε θρεπτικά ύδατα. Μόνο σπάνια, µε πολύ ασυνήθεις ρύπους, θα χρειασθεί εµβολιασµός µε ένα ειδικό τύπο ή είδος µικροβίων (Hammer, 1992). Οι µηχανισµοί αποµάκρυνσης των βακτηρίων και παρασίτων, όπως πρωτόζωα και έλµιθοι, που είναι συνήθη στα περισσότερα φυσικά συστήµατα επεξεργασίας, περιλαµβάνουν καθίζηση, προσρόφηση, ακτινοβολία, ξήρανση, εµπλοκή, ανταγωνιστικές επιδράσεις, φυσική φθορά και γενικά έκθεσή τους σε διάφορες αντίξοες περιβαλλοντικές συνθήκες. Οι ιοί αποµακρύνονται µόνο µε φυσική φθορά και καταστροφή τους (US.EPA, 1981). Στα συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων παρατηρούνται διαφοροποιηµένα ποσοστά αποµάκρυνσης µικροοργανισµών, αλλά γενικά όχι σε τέτοιο βαθµό που να µην απαιτείται συµπληρωµατική απολύµανση των λαµβανοµένων από αυτά τελικών εκροών, ιδιαίτερα σε περιπτώσεις που επιδιώκεται επαναχρησιµοποίησή τους (Αγγελάκης και Tchobanoglous, 1995). Πέντε τεχνητοί υγροβιότοποι στη ∆ηµοκρατία της Τσεχίας µελετήθηκαν κατά τη διάρκεια των ετών 1994 και 1995 µε σκοπό να προσδιορισθεί η αποµάκρυνση ολικών, περιττωµατικών κολοβακτηριδίων και εντεροβακτηριδίων (Ottovà et al., 1997). Επιπροσθέτως, ο συνολικός αριθµός αερόβιων και αναερόβιων βακτηρίων προσδιορίσθηκαν 44 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη στο νερό. Οι πληθυσµοί βακτηρίων του κύκλου αζώτου παρακολουθήθηκε στις ρίζες και ριζώµατα του Glyceria maxima στο σύστηµα αυτό. Τα αποτελέσµατα απέδειξαν ότι η κατακράτηση κολοβακτηριδίων είναι πολύ υψηλή και ξεπερνάει τα συνήθη επίπεδα κράτησης των συµβατικών συστηµάτων. Οι µετρήσεις επίσης υπέδειξαν ότι τα νιτροποιηµένα βακτήρια δεν ήταν παρόντα στο υγρό απόβλητο, ενώ σχετικά µεγάλος αριθµός βρέθηκε στην επιφάνεια ριζών και ριζωµάτων της Glyceria (Ottovà et al., 1997). 45 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη 4. ΜΟΝΤΕΛΑ ΣΧΕ∆ΙΑΣΜΟΥ ΤΕΧΝΗΤΩΝ ΥΓΡΟΒΙΟΤΟΠΩΝ Η µοντελοποίηση συστηµάτων τεχνητών υγροβιότοπων γίνεται κυρίως µε στατιστική ανάλυση δεδοµένων εισροής και εκροής από λειτουργούσες εγκαταστάσεις. Ένας τρόπος αξιοποίησης των δεδοµένων εισόδου και εξόδου είναι οι εξισώσεις γραµµικής παλινδρόµησης (Kadlec and Knight, 1996; Rousseau et al., 2004a). Το µειονέκτηµα των γραµµικών αυτών εξισώσεων είναι ότι αντιµετωπίζουν το σύστηµα των τεχνητών υγροβιότοπων σαν ένα µαύρο κουτί, χωρίς να λαµβάνουν υπόψη τις εσωτερικές διεργασίες . Οι εξισώσεις αυτές καταλήγουν να περιγράφουν ένα περίπλοκο σύστηµα µε τη χρήση µόνο δύο ή τριών παραµέτρων (Rousseau et al., 2004a). Ένας άλλος τρόπος για τη µοντελοποίηση συστηµάτων τεχνητών υγροβιότοπων είναι τα µοντέλα πρώτης τάξης, τα οποία είναι ευρέως διαδεδοµένα και χρησιµοποιούνται ευρέως στο σχεδιασµό τους (Rousseau et al., 2004b). Τα µοντέλα πρώτης τάξης ενσωµατώνουν την επίδραση διαφόρων παραµέτρων, όπως είναι η συγκέντρωση εισροής, η παροχή και η θερµοκρασία, ενώ υποθέτουν ότι η συµπεριφορά των συστηµάτων προσοµοιώνεται από έναν αντιδραστήρα εµβολoειδούς ροής. Τα τυπικά κριτήρια σχεδιασµού των τεχνητών υγροβιότοπων αναφέρονται στον Πίνακα 4.1 Πίνακας 4.1 Τυπικά κριτήρια σχεδιασµού και προσδοκώµενα ποιοτικά χαρακτηριστικά εκροής σε συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων (Πηγή: Αγγελάκης και Τσαγκαράκης, 2002) 4.1 ΓΕΝΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙ ΣΧΕ∆ΙΑΣΜΟΥ Όλα τα συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων µπορούν να θεωρηθούν ως συσχετιζόµενοι µε την ανάπτυξη βιολογικοί αντιδραστήρες και η απόδοσή τους µπορεί να υπολογισθεί µε εφαρµογή κινητικής πρώτου βαθµού κινητική για την αποµάκρυνση BOD και αζώτου. Ο 46 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη γενικός τύπος σχεδιασµού (εξίσωση 1) για την αποµάκρυνση των ρυπαντών είναι (Reed et al., 1995): Όπου: Ce = η συγκέντρωση εκροής του ρύπου, mg/l C0 = συγκέντρωση εισροής του ρύπου, mg/l KT = η εξαρτώµενη από τη θερµοκρασία πρώτου βαθµού σταθερά ρυθµού αντίδρασης, d-1 t = ο υδραυλικός χρόνος παραµονής, d Σταθερά Κινητικής Εξαρτώµενη από τη Θερµοκρασία Η σταθερά κινητικής εξαρτώµενη από τη θερµοκρασία, δίνεται από τον τύπο (εξίσωση 2) (Crites and Tchobanoglous, 1998): Όπου: -1 K1= σταθερά για τη θερµοκρασία Τ1, d , -1 K2= σταθερά για τη θερµοκρασία Τ2, d , θ= σταθερά που εξαρτάται από το είδος του ρυπαντή και τη σχετική διαφορά θερµοκρασίας Τ= θερµοκρασία, °C Συνήθως λαµβάνουµε ως δεδοµένη την τιµή Κ1 στους 20°C, εποµένως η εξίσωση (2) γίνεται: εξίσωση (3) Όπου: -1 K20= σταθερά για τη θερµοκρασία 20°C, d , -1 KT= σταθερά για τη θερµοκρασία Τ,d θ= σταθερά που εξαρτάται από το είδος του ρυπαντή και τη σχετική διαφορά θερµοκρασίας Τ= θερµοκρασία υγρών, °C Υδραυλικός χρόνος παραµονής Υδραυλικός χρόνος παραµονής σε ένα τεχνητό υγροβιότοπο θεωρείται ο χρόνος ροής, ο οποίος εξαρτάται από την παροχή και τη διατοµή ροής και υπολογίζεται από την εξίσωση (4): Όπου t= υδραυλικός χρόνος παραµονής, d, Α'= πραγµατικό εµβαδόν διαθέσιµο για τη ροή του υγρού, m², Q= µέση παροχή στη λεκάνη, m³/d, d= βάθος νερού λεκάνης, m. 47 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Εάν θεωρηθεί ότι το Α΄ είναι ένα ποσοστό του εµβαδού Α της διατοµής, της ροής που ορίζεται από τη διατοµή διέλευσης των υγρών τότε το ποσοστό αυτό µπορεί να εκφραστεί από το πορώδες του µέσου ροής. Έτσι, η εξίσωση (4) παίρνει την µορφή: εξίσωση (5) Όπου: L = µήκος λεκάνης, παράλληλα στην ροή, m W = πλάτος λεκάνης, m d = το βάθος του νερού στην λεκάνη, m n = πορώδες (είναι ποσοστό επί τοις εκατό και εκφράζεται ως δεκαδικός αριθµός), ή το διάστηµα που είναι διαθέσιµο για το νερό να ρέει διαµέσου του υγροβιότοπου. Η βλάστηση καταλαµβάνει κάποιο διάστηµα στους υγροβιότοπους επιφανειακής ροής και το ίδιο συµβαίνει στους υπόγειας και κατακόρυφης ροής µε το πληρωτικό µέσο, τις ρίζες και άλλα στερεά. Μέση Παροχή Όταν χρησιµοποιείται η παροχή στο σχεδιασµό τεχνητών υγροβιότοπων θα πρέπει να λαµβάνονται υπόψη τυχόν µεταβολές εξαιτίας: (α) απωλειών δια µέσου της εξατµισοδιαπνοής και διήθησης και (β) εισροών από ατµοσφαιρικές κατακρηµνίσεις. Έτσι, η µέση παροχή νερού στην λεκάνη υπολογίζεται από την Εξίσωση (6): Όπου: Q= µέση παροχή στη λεκάνη, m³/d, Qο= παροχή εισροής, m³/d, Qe= παροχή εκροής, m³/d Είναι απαραίτητο να προσδιορίσουµε τη µέση παροχή µε την παραπάνω εξίσωση ώστε να αντισταθµιστούν οι απώλειες νερού ή προσθήκες λόγω υγρασίας ή η καθίζηση όσο το νερό ρέει στον υγροβιότοπο. Ο συντηρητικός σχεδιασµός δεν υπολογίζει την υγρασία και υιοθετεί ήδη µετρηµένα στοιχεία για τις απώλειες εξατµισοδιαπνοής και προσθήκες βροχοπτώσεων από αρχεία για την περιοχή κάθε µήνα µελέτης. Αυτό απαιτεί µια προκαταρκτική υπόθεση στην εκτίµηση της έκτασης επιφάνειας του υγροβιότοπου, οπότε ο όγκος του νερού που χάνεται ή προστίθεται µπορεί να υπολογισθεί. Είναι λογικό πολλές φορές για προκαταρκτικό υπολογισµό σχεδιασµού να θεωρούµε ότι Qo είναι ίσο µε Qe. Υπολογισµός συνολικής επιφάνειας λεκανών Η συνολική επιφάνεια λεκανών υπολογίζεται συνδυάζοντας τις Εξισώσεις 1, 2 και 4. Έτσι, προκύπτει η Εξίσωση (7): 48 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Όπου: Αs= συνολική επιφάνεια λεκανών, m², Πορώδες n: 0,65<n<0,75 Ένα σηµαντικό µέγεθος που υπεισέρχεται έµµεσα στις εξισώσεις διαστασιολόγησης που καταλήγουν στην απλουστευµένη Εξίσωση 5, είναι η ειδική διαθέσιµη επιφάνεια για µικροβιακή δραστηριότητα. Στην περίπτωση συστηµάτων επιφανειακής ροής αυτή ορίζεται ως η συνολική εµβυθισµένη επιφάνεια των βλαστών, φύλων και ξερών υπολειµµάτων των φυτών, όπως και τα πλευρικά τοιχώµατα και ο πυθµένας της λεκάνης. Μια τυπική τιµή της είναι 15 m²/m³, αλλά µπορεί να πάρει τιµές έως και 50 m²/m³ (Reed et al., 1995). Ένα άλλο µέγεθος που υπεισέρχεται άµεσα στους εξισώσεις διαστασιολόγησης είναι το πορώδες n, δηλαδή διαθέσιµη διατοµή για τη διέλευση του νερού, που είναι το ποσοστό της διατοµής και εκφράζεται ως δεκαδικός αριθµός. Για τους τεχνητούς υγροβιότοπους επιφανειακής ροής, n: 0,65<n<0,75. Έκταση υγροβιότοπου Σύµφωνα µε τον Αντωνόπουλο (2001) η έκταση του υγροβιότοπου υπολογίζεται από την εξίσωση (8): Α=5,2 Q ln (BODin / BODout) Όπου: A η επιφάνεια σε m2, Q η µέση ηµερήσια παροχή (m3/day), BODin η συγκέντρωση BOD στα εισερχόµενα λύµατα (mg/L) και BODout η αναµενόµενη συγκέντρωση BOD στα εξερχόµενα λύµατα (mg/L). Για αστικά λύµατα η έκταση περίπου ανέρχεται σε 2,2 m2/pe (pe= ισοδύναµο πληθυσµού, που αντιστοιχεί σε 56 g BOD/ανά άτοµο και ηµέρα ή 170 L/άτοµο και ηµέρα). Υ∆ΡΑΥΛΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙ ΣΧΕ∆ΙΑΣΜΟΥ Για τον υπολογισµό των διαστάσεων της λεκάνης ενός συστήµατος θεωρούνται οι παρακάτω σχέσεις (Reed et al., 1995): Όπου: L= το µέγιστο επιτρεπτό µήκος λεκάνης, m, 1/6 α= συντελεστής αντίστασης, s.m , m= αύξηση βάθους που εξυπηρετεί ως διαφορικό φορτίο, συνήθως 0,01-0,03. 4.2 ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΣΧΕ∆ΙΑΣΜΟΥ ΤΕΧΝΗΤΩΝ ΥΓΡΟΒΙΟΤΟΠΩΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΡΟΗΣ Στους τεχνητούς υγροβιότοπους επιφανειακής ροής τα λύµατα διέρχονται οριζοντίως επιφανειακά µέσα σε λεκάνη όπου έχουν φυτευτεί κατάλληλα φυτά π.χ. καλάµια. Για να αποφευχθούν προβλήµατα οσµών και ξήρανσης της φυτικής βλάστησης τα λύµατα 49 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη υποβάλλονται σε πρωτοβάθµια καθίζηση. Πάνω στην ελεύθερη επιφάνεια του εδάφους και των φυτών δηµιουργείται ένα φιλµ από ενεργούς µικροοργανισµούς, το οποίο αποικοδοµεί το οργανικό φορτίο των λυµάτων. Τα επεξεργασµένα λύµατα συλλέγονται σε µία ζώνη εκροής από χαλίκια και στη συνέχεια διατίθενται στον αποδέκτη, ενώ συχνά υποβάλλονται και σε τριτοβάθµια επεξεργασία. Τα βασικά κριτήρια για τον σχεδιασµό των τεχνητών υγροβιότοπων είναι ο υδραυλικός χρόνος παραµονής, ρυθµός εφαρµογής του οργανικού φορτίου, η απαιτούµενη επιφάνεια , το βάθος νερού, ο λόγος µήκους/πλάτους, το εύρος των θερµοκρασιών λειτουργίας και οι υδραυλικές παραδοχές. Ο Πίνακας 4.2 παρουσιάζει τα τυπικά κριτήρια για το σχεδιασµό των υγροβιότοπων (Χαιρέτη, 2005). Πίνακας 4.2 Κριτήρια σχεδιασµού υγροβιότοπων (Αγγελάκης και Τσαγκαράκης, 2002) Οι βασικοί µηχανισµοί αποµάκρυνσης και µετατροπής των συστατικών των λυµάτων στους υγροβιότοπους επιφανειακής ροής παρουσιάζονται στον Πίνακα 4.3: Πίνακας 4.3 Συνοπτική παρουσίαση βασικών µηχανισµών αποµάκρυνσης και µετατροπής στοιχείων των υγρών αποβλήτων σε τεχνητούς υγροβιότοπους (Πηγή: Crites and Tchobanoglous, 1998) 50 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Οι τοµές στην είσοδο, την έξοδο και στους διαδρόµους προσπέλασης σε τεχνητό υγροβιότοπο επιφανειακής ροής φαίνονται στα Σχήµατα 4.1, 4.2 και 4.3. Σχήµα 4.1 Ενδεικτική τοµή εισόδου λυµάτων σε ΤΥ επιφανειακής ροής (Πηγή: ΟΑΝΑΚ, 2004) Σχήµα 4.2 Ενδεικτική τοµή διαδρόµου σε ΤΥ επιφανειακής ροής (Πηγή: ΟΑΝΑΚ, 2004) Σχήµα 4.3 Ενδεικτική τοµή στο τέλος της λεκάνης σε ΤΥ επιφανειακής ροής (Πηγή: ΟΑΝΑΚ, 2004) 51 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Ο τεχνητός υγροβιότοπος συνήθως παραλαµβάνει τα λύµατα µετά την εκροή τους στο αµµόφιλτρο. Η προσθήκη τεχνητού υγροβιότοπου σε µια µονάδα επεξεργασίας λυµάτων, βελτιώνει κατά πολύ τα δεδοµένα του συστήµατος. Οι λόγοι που επιλέγεται συνήθως σαν πρόσθετη επεξεργασία είναι: α) δίνει ανώτερη επεξεργασία (effluent polishing) µε ελάχιστο πρόσθετο κόστος επεξεργασίας (σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας λειτουργεί χωρίς ηλεκτρική ενέργεια). Η καταστροφή παθογόνων µικροβίων στον τεχνητό υγροβιότοπο µειώνει τις ανάγκες σε απολύµανση β) σε περίπτωση ανάγκης που δεν µπορούµε να διαθέσοµε την εκροή προσωρινά, µπορούµε να αποθηκεύσουµε 1500 m³ καθαρισµένα λύµατα, εκροή που αντιστοιχεί σε παροχή 5-6 ηµέρες γ) σε διακοπή ρεύµατος λειτουργεί µόνο ο τεχνητός υγροβιότοπος µε αποδόσεις 85% -90% δ) το όλο σύστηµα (αµµόφιλτρο - υγροβιότοπος) µπορεί να αντέξει για οποιαδήποτε πολυήµερη βλάβη και να δίνει εκροή τουλάχιστον δευτεροβάθµια (σε αντίθεση µε ένα σύστηµα ενεργού ιλύος που εύκολα µπορεί να πάθει βλάβη και τότε δίνει κακή εκροή ενώ για να επανέλθει απαιτούνται αρκετές ηµέρες). ε) ο τεχνητός υγροβιότοπος προσθέτει υψηλή ποιότητα αισθητικής στο τοπίο µε ελάχιστες σχετικά δαπάνες. στ) θεωρείται ο πιο αποδοτικός και µε τα λιγότερα προβλήµατα εµφράξεων. Τα φυσικά συστήµατα πρέπει να διαθέτουν στεγανό πυθµένα για να αποφεύγεται η πιθανότητα ρύπανσης των υπογείων υδάτων. Αυτό επιτυγχάνεται µε τοποθέτηση µεµβράνης ή µε εδαφικό υπόστρωµα περατότητας µικρότερης της 1,5 cm/h. Η επίτευξη αποδεκτής περατότητας του εδαφικού υποστρώµατος συντελείται µε κατάλληλη συµπίεση του υποστρώµατος. Για παράδειγµα, στον τεχνητό υγροβιότοπο της Επισκοπής (Κρήτη), οι δεξαµενές υγροβιότοπων κατασκευάστηκαν µε εκσκαφή - ανάχωµα, συµπίεση του εδάφους, τοποθέτηση πλαστικής µεµβράνης από ΡΕ (0,75 mm). Μετά την τοποθέτηση των απαραίτητων δικτύων αγωγών διανοµής των λυµάτων τοποθετήθηκε πληρωτικό υλικό (φυτική γη) ύψους 0,40-0,50 m, όπου έγινε η φύτευση των φυτών. Το υπερκείµενο υγρό έχει βάθος 0,10-0,50 m (ρυθµιζόµενο εποχιακά µε ειδική διάταξη). Το συνολικό βάθος των δεξαµενών υγροβιότοπων είναι 1,1-1,2 m. H ποικιλία των φυτών που έχουν επιλεγεί είναι Phragmites australis (Εικόνα 4.1), φυτά κατάλληλα για υγροβιότοπους που ευδοκιµούν στην Κρήτη. Στην Εικόνα 4.2 φαίνεται η κλίνη πριν από τη φύτευση (Χαιρέτη, 2005). Εικόνα 4.1 Phragmites australis (Πηγή: google.images.gr) 52 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Εικόνα 4.2 Όψη τεχνητού υγροβιότοπου Επισκοπής πριν από τη φύτευση (Πηγή: Χαιρέτη Όλγα, 2005) Η απαιτούµενη επιφάνεια του υγροβιότοπου δίδεται από την εξίσωση (9): 2 όπου Α = Η επιφάνεια του υγροβιότοπου, m Co = Συγκέντρωση BOD στην είσοδο του υγροβιότοπου, mg/L Ce = Συγκέντρωση BOD στην έξοδο του υγροβιότοπου, mg/L -1 KT = Κινητικός συντελεστής διάσπασης του οργανικού φορτίου, d y = Το βάθος του νερού στον υγροβιότοπο. Τυπικές τιµές είναι 0,10 - 0,50 m (επιλέγοµε βάθος y = 0,40 m) n = "Πορώδες", ήτοι το καθαρό ποσοστό του υγροβιότοπου που καταλαµβάνει το νερό, συνήθως 60 - 70 %. ∆εχόµαστε τιµή 0,65. Ο κινητικός συντελεστής εξαρτάται από τη θερµοκρασία των επεξεργασµένων λυµάτων, και υπολογίζεται ως συνάρτηση της θερµοκρασίας από την εξίσωση (10): Όπου: για το θέρος: Τ= η υψηλότερη πιθανή θερµοκρασία λυµάτων ενώ για το χειµώνα: Τ= η χαµηλότερη πιθανή θερµοκρασία λυµάτων Ο υδραυλικός χρόνος παραµονής είναι (εξίσωση 11): 53 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη 4.3 ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΣΧΕ∆ΙΑΣΜΟΥ ΤΕΧΝΗΤΩΝ ΥΓΡΟΒΙΟΤΟΠΩΝ ΥΠΟΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΗΣ ΡΟΗΣ Έρευνα εντός των υπηρεσιών της Υγιεινής Μηχανικής και της εµπειρίας σχετικά µε τεχνητούς υγροβιότοπους τελικά οδήγησε στην Γερµανική Οργάνωση για το Νερό, τα Λύµατα και τα Απόβλητα (German Association for Water, Wastewater and Waste - ATV) να συντάξει την οδηγία 262, η οποία δίνει ένα σκελετό σχετικά µε τη διαστασιολόγηση, την κατασκευή και λειτουργία των υγροβιότοπων για τέσσερις έως χίλιους κατοίκους (www.tuberlin.de). Ο σχεδιασµός για τεχνητούς υγροβιότοπους συνεπώς βασίζεται σε τοπικές πληθυσµιακές πυκνότητες, αλλά θα µπορεί να χρησιµοποιηθεί κατά προσέγγιση και σε άλλες περιπτώσεις. Σύµφωνα µε την οδηγία 262 της ATV προτείνονται οι παρακάτω παράµετροι σχεδιασµού για τους κατακόρυφης ροής τεχνητούς υγροβιότοπους: • Επιφάνεια ≥ 2,5 m2/κάτοικο • Βάθος ≥ 0,8 m • Μέγιστη υδραυλική φόρτιση ≥ 60 mm/d (=l/(m2*d) Σε έναν υγροβιότοπο κατακόρυφης ροής, τα υγρά απόβλητα εφαρµόζονται οµοιόµορφα στην κορυφή της κλίνης και η εκροή ρέει µέσω διάτρητων σωλήνων στον πυθµένα, παράλληλα στον µακρύ άξονα της κλίνης. Η ιδέα βασίζεται σε εργασία του Seidel (1966) και είναι σε χρήση σε πολλές τοποθεσίες στην Ευρώπη. Το σύστηµα τυπικά αποτελείται από δύο γκρουπ, ή στάδια, κελιών κατακόρυφης ροής σε σειρά ακολουθούµενα από ένα ή περισσότερα οριζόντιας ροής κελιά τελικού καθαρισµού. Κάθε στάδιο µονάδας κατακόρυφης ροής αποτελείται από πολλά κελιά εν παραλλήλω και το υγρά απόβλητα εφαρµόζονται περιοδικά µε τη σειρά. Στα συγκεκριµένα συστήµατα υγροβιότοπων κατακόρυφης ροής στην Ευρώπη, εφαρµόζονται είτε πρωτοβάθµιες εκροές (τυπικά από σηπτική δεξαµενή), είτε σε ορισµένες περιπτώσεις ακατέργαστα λύµατα (Βαρκάς, 2007). Υπάρχουν ανεπαρκή δεδοµένα λειτουργίας διαθέσιµα για τεχνητούς υγροβιότοπους κατακόρυφης ροής, ώστε να επιτρέψουν την ανάπτυξη ενός ορθολογιστικού µοντέλου σχεδιασµού (Reed et al., 1995). Οι ακόλουθες εξισώσεις βασίζονται στη λειτουργία ενός συστήµατος στο Ηνωµένο Βασίλειο µε 2-ήµερο υγρό κύκλο και 4-ήµερο ξηρό κύκλο (Burka and Lawrence, 1990; Reed et al., 1995). Μπορούν να χρησιµοποιηθούν µε υπερβολική προσοχή (λόγω περιορισµένης βάσης δεδοµένων) στον υπολογισµό της απόδοσης παρόµοιων συστηµάτων. Η αποµάκρυνση BOD, ανά στάδιο, είναι: όπου Ce = η εκροή BOD, mg/l C0 = η εισροή BOD, mg/l KT = η εξαρτώµενη από τη θερµοκρασία σταθερά ρυθµού, d-1 = 0,3171(1,06)(T-20), d-1 HLR = µέσος ηµερήσιος ρυθµός υδραυλικής φόρτισης κατά τη διάρκεια του κύκλου χορήγησης της δόσης, m/d 54 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Η αποµάκρυνση αµµωνίας, ανά στάδιο, είναι: Όπου: Ce = η εκροή αµµωνίας, mg/L C0 = η εισροή αµµωνίας, mg/L KT = η εξαρτώµενη από τη θερµοκρασία σταθερά ρυθµού, d-1 = 0,1425(1,06)(T-20), d-1 HLR = µέσος ηµερήσιος ρυθµός υδραυλικής φόρτισης κατά τη διάρκεια του κύκλου χορήγησης της δόσης, m/d Ως επί το πλείστον, υψηλότερος ρυθµός αποµάκρυνσης αµµωνίας αναµένεται στο δεύτερο στάδιο ενός συστήµατος δύο σταδίων. Ωστόσο, σε αυτό το δύο σταδίων σύστηµα ο ρυθµός αποµάκρυνσης αµµωνίας ανά στάδιο είναι περίπου ίσος, αφού το φορτίο BOD στο δεύτερο στάδιο είναι ακόµη υψηλότερο σε σχέση µε το επιθυµητό για βέλτιστη νιτροποίηση. Αυτή η απάντηση καταδεικνύει ότι επιπρόσθετες βελτιώσεις και βελτιστοποίηση των υγροβιότοπων κατακόρυφης ροής είναι επιθυµητές. Το πρώτο στάδιο πρέπει να είναι αρκετά µεγάλο ώστε να παράγεται εκροή BOD από 10 έως 15 mg/l. Το δεύτερο στάδιο µπορεί τότε να βελτιστοποιηθεί για αποµάκρυνση αµµωνίας και ο κύριος ρόλος του SFS υγροβιότοπου που χρησιµοποιείται ως τρίτο στοιχείο θα είναι η απονιτροποίηση και τελικός καθαρισµός (Βαρκάς, 2007). 4.4 ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΣΤΑ∆ΙΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ Το ελάχιστο επίπεδο προεπεξεργασίας υγρών αποβλήτων σε συστήµατα υγροβιότοπων είναι εκροές πρωτοβάθµιας επεξεργασίας ή αεριζόµενων τεχνητών λιµνών µε µικρό χρόνο παρακράτησης ή άλλων ισοδύναµων µε αυτές. Το επίπεδο προεπεξεργασίας εξαρτάται από τα ποιοτικά κριτήρια που πρέπει να πληροί η τελική εκροή, καθώς, και από την ικανότητα αποµάκρυνσης του δεδοµένου συστήµατος. Σηµειώνεται ότι, σε τεχνητούς υγροβιότοπους έχουν χρησιµοποιηθεί και εκροές δευτεροβάθµιας επεξεργασίας ή ακόµη και προωθηµένης επεξεργασίας, προκειµένου να αντιµετωπισθούν τοπικές κανονιστικές απαιτήσεις. Γενικά, όµως, πρέπει να αποφεύγεται η χρήση εκροών οξειδωτικών λιµνών, που περιέχουν υψηλές συγκεντρώσεις αλγών, επειδή αυτά όπως και στα συστήµατα επιφανειακής ροής, δεν αποµακρύνονται αποτελεσµατικά και δηµιουργούν διάφορα λειτουργικά προβλήµατα. Επίσης, επειδή η αποµάκρυνση φωσφόρου µε τέτοια συστήµατα είναι περιορισµένη, συνιστάται η αποµάκρυνση του κατά την προεπεξεργασία του αποβλήτου, ιδιαίτερα όταν υπάρχουν περιορισµοί ως προς τη συγκέντρωση του στην τελική εκροή. Συνεπώς, τα συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων χρησιµοποιούνται ως πρωτοβάθµια, δευτεροβάθµια ή και τριτοβάθµια επεξεργασία των αστικών λυµάτων. Η τριτοβάθµια επεξεργασία είναι προτιµότερη όταν επιθυµούµε καθαρό προϊόν εκροής για χρήση του για άρδευση ή άλλες χρήσεις. Παρακάτω αναφέρονται κάποια από τα στάδια από τα οποία διέρχονται τα λύµατα. Σαν σηµείο αναφοράς της περιγραφής των παρακάτω σταδίων έχουµε την ΜΕΑΛ (Μονάδα Επεξεργασίας Αστικών Λυµάτων) Επισκοπής. 55 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Τα κύρια στάδια επεξεργασίας του συστήµατος είναι: α) φρεάτιο εισόδου (φρεάτιο µε χονδρή εσχάρα) . β) σηπτική δεξαµενή γ) αντλιοστάσιο & δεξαµενή τροφοδοσίας αµµόφιλτρου δ) βιολογικό αµµόφιλτρο µε ανακυκλοφορία ε) µονάδα τεχνητού υγροβιότοπου πρόσθετης (τριτοβάθµιας) επεξεργασίας στ) απολύµανση (χλωρίωση) της εκροής ζ) δεξαµενή αποθήκευσης εκροής (και αντλιοστάσιο εξόδου) η) µονάδα εξουδετέρωσης οσµαερίων σηπτικής δεξαµενής θ) δίκτυο διάθεσης εκροής Πέραν των παραπάνω σταδίων υπάρχουν και οι παρακάτω εγκαταστάσεις: α) κτίριο διοίκησης (χώρος ηλεκτρικού πίνακα, αποθήκη και W.C.) β) λοιπά έργα υποδοµής (διαµόρφωση χώρου, περίφραξη, ύδρευση, ηλεκτροφωτισµός) Πιο αναλυτικά: 4.4.1 Φρεάτιο εισόδου Στο φρεάτιο εισόδου (Εικόνα 4.3) καταλήγουν οι κεντρικοί αγωγοί του αποχετευτικού δικτύου των εξυπηρετούµενων οικισµών και από εκεί τα λύµατα οδηγούνται µε φυσική ροή (βαρύτητα) προς τη σηπτική δεξαµενή. Εικόνα 4.3 Όψη του φρεατίου εισόδου και τµήµατος της σηπτικής δεξαµενής (ΜΕΑΛ Επισκοπής) (Πηγή: Χαιρέτη Όλγα, 2005) Αποτελείται από χονδρή ανοξείδωτη σχάρα (ευθύγραµµη µε κλίση 60 µοίρες ως προς το οριζόντιο επίπεδο). Τα διάκενα των ράβδων είναι 30-40 mm, ώστε να συγκρατούνται τα χονδρά στερεά, ξύλα, πλαστικά κ.λ.π, που θα µπορούσαν να προκαλέσουν φραξίµατα στα επόµενα στάδια. Θα καθαρίζεται µε ειδική τσουγκράνα (χειρονακτικά) 1-2 φορές εβδοµαδιαίως (Χαιρέτη, 2005). 56 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη 4.4.2 Σηπτική δεξαµενή Γενικά. Οι σηπτικές δεξαµενές χρησιµοποιούνται πολλούς αιώνες σαν προεπεξεργασία των αστικών λυµάτων. Χρησιµοποιήθηκαν µε µεγάλη επιτυχία για µικρούς οικισµούς ή µεµονωµένα σπίτια. Τις τελευταίες δεκαετίες έχουν γίνει σηµαντικές βελτιώσεις στο σχεδιασµό και την κατασκευή των σηπτικών δεξαµενών. Ιδιαίτερα την τελευταία δεκαετία σε αρκετές περιοχές ανεπτυγµένων χωρών (USA, Ιαπωνία κ.λ.π.) ενισχύθηκε η τάση για αποκεντρωµένα συστήµατα επεξεργασίας αστικών λυµάτων (Ανδρεαδάκης κ.α., 1999, Μαρκαντωνάτος, 1999). Έτσι αποµακρυσµένοι οικισµοί αντί να συνδεθούν µε τις ΜΕΑΛ κατασκευάζοντας επιπλέον αντλιοστάσια και καταθλιπτικούς αγωγούς ή τεράστιους και πολυδάπανους αγωγούς βαρύτητας, εξυπηρετούνται σήµερα µε νέες µικρές ΜΕΑΛ ή αποκεντρωµένα µικρά συστήµατα, (π.χ αµµόφιλτρα, τεχνητούς υγροβιότοπους ή συστήµατα υπεδάφιας διάθεσης). Στα αποκεντρωµένα µικρά συστήµατα πολύ συχνά σήµερα η προεπεξεργασία γίνεται από µια σηπτική δεξαµενή ή µια δεξαµενή τύπου Imhoff. Στόχοι. Οι στόχοι που εξυπηρετούν οι σηπτικές δεξαµενές είναι η αφαίρεση των αιωρούµενων στερεών (λασπών) και επιπλεόντων υλικών (αφρού, λιπών - ελαίων) ώστε η εκροή: α) να µην δηµιουργεί προβλήµατα βουλωµάτων (εµφράξεων) στα επόµενα στάδια επεξεργασίας και διάθεσης των λυµάτων β) να αυξάνονται οι αποδόσεις των επόµενων σταδίων Η σηπτική δεξαµενή (Σχήµα 4.4) αποτελεί την πρώτη βασική µονάδα καθαρισµού (πρωτοβάθµια επεξεργασία) των λυµάτων, µε σηµαντικές βελτιώσεις στο σχεδιασµό και την κατασκευή της τις τελευταίες δεκαετίες. Σε αυτή επιτυγχάνεται καθίζηση µέρους των αιωρούµενων στερεών και ταυτόχρονα αναερόβια χώνευση της λάσπης στον πυθµένα (όπου προβλέπεται ο απαραίτητος όγκος) (Χαιρέτη, 2005). Σχήµα 4.4 Τυπική τοµή διθάλαµης σηπτικής δεξαµενής (Πηγή: ΟΑΝΑΚ, 2004) Τα αστικά λύµατα περιέχουν σηµαντικές ποσότητες αιωρούµενων σωµατιδίων µε ειδικό βάρος µεγαλύτερο του νερού, τα οποία λόγω της ροής των λυµάτων παραµένουν σε αιώρηση. Με την πρωτοβάθµια επεξεργασία επιδιώκεται η αποµάκρυνση σηµαντικού µέρους αυτών των σωµατιδίων (κατά 50 - 65%) µε καθίζηση σε δεξαµενές που επικρατούν συνθήκες σχετικής ηρεµίας. ∆εδοµένου ότι, σηµαντικό µέρος των οργανικών ενώσεων βρίσκεται σε µορφή αιωρούµενων σωµατιδίων, επιτυγχάνεται και ταυτόχρονη µείωση του BOD5 (κατά 1557 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη 40%). Παράλληλα, αποµακρύνονται από την επιφάνεια της δεξαµενής και επιπλέοντα στερεά (λίπη, έλαια, αφροί). Τέλος, η εκροή από σηπτικές δεξαµενές επιδέχεται προσθήκη χηµικών (κροκιδωτικών) για την αφαίρεση όλων των στερεών, αζώτου-φωσφόρου και του BOD5 (70-85%). Μια σηπτική δεξαµενή που έχει κατασκευαστεί και λειτουργεί σωστά (ακόµα και µε ένα θάλαµο) έχει ικανοποιητικές αποδόσεις. Παρ’ όλα αυτά συνηθίζεται στεγανή διθάλαµη ή τριθάλαµη δεξαµενή µε την ίδια συνολική χωρητικότητα, διότι έτσι επιτυγχάνεται καλύτερη ασφάλεια στην παγίδευση - συγκράτηση και των επιπλεόντων και των λασπών, ιδιαίτερα µάλιστα σε περιόδους που έχουµε µεγαλύτερες φορτίσεις ή ανατάραξη λόγω µεγάλων ρυθµών χώνευσης (πχ. το θέρος). Οι θάλαµοι επικοινωνούν µεταξύ τους µε ανοίγµατα που βρίσκονται 70-100 cm κάτω από την επιφάνεια του υγρού, για να παρεµποδίζεται η µεταφορά επιπλεόντων. Σε κάθε θάλαµο καθίζησης διακρίνονται µία ζώνη υγρού όπου τα στερεά καθιζάνουν, µία ζώνη λάσπης όπου συσσωρεύονται καθιζάνοντα στερεά και µία επιφανειακή ζώνη όπου επιπλέουν τα λίπη. Απαραίτητη είναι η ύπαρξη ελεύθερου πάνω χώρου, τουλάχιστον 0,4 m. Ο πρώτος θάλαµος είναι συνήθως µεγαλύτερος σε ωφέλιµο όγκο. Η σηπτική δεξαµενή της υπό εξέτασης ΜΕΑΛ φαίνεται στις Εικόνες 4.4 και 4.5 (Χαιρέτη, 2005). Εικόνα 4.4 Όψη σηπτικής δεξαµενής (ΜΕΑΛ Επισκοπής) (Πηγή: Χαιρέτη Όλγα, 2005) Εικόνα 4.5 Όψη της σηπτικής δεξαµενής και τµήµατος του βιολογικού αµµόφιλτρου (ΜΕΑΛ Επισκοπής) (Πηγή: Χαιρέτη Όλγα, 2005) 58 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Για την κατασκευή σηπτικών δεξαµενών υπάρχουν στην Ελληνική Νοµοθεσία οι εξής περιορισµοί (Ε1β/221/65 (ΦΕΚ 138/Β/65): α) ελάχιστη απόσταση από τα όρια του οικοπέδου 1 m β)υδατοστεγής κατασκευή, κατάλληλος εξαερισµός και στεγανά καλύµµατα ανθρωποθυρίδων γ) αποστάσεις, βάθος και κατάλληλη τοποθέτηση ώστε να προστατεύονται τα υπόγεια νερά σε κάθε περίπτωση διαρροών ή υπερχειλίσεων και γενικά επαρκείς κατά περίπτωση αποστάσεις ώστε να µην ενοχλούνται άνθρωποι και να προστατεύονται τα υπόγεια νερά και η δηµόσια υγεία. Αποµάκρυνση φορτίων από σηπτικές δεξαµενές. Στον Πίνακα 4.4 φαίνονται οι συνήθεις (µέσες) αποδόσεις των σηπτικών δεξαµενών. Πίνακας 4.4 Συνήθης αποµάκρυνση φορτίων από σηπτικές δεξαµενές (Πηγή: Tchobanoglous and Barton, 1991) Παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση των σηπτικών δεξαµενών είναι: α) η υδραυλική επιφανειακή φόρτιση (µεγάλη επιφανειακή φόρτιση µπορεί να µειώσει την απόδοση καθίζησης ή επίπλευσης. Επιτρεπόµενη φόρτιση 30 – 50 m³/m²·d) β) ο υδραυλικός χρόνος παραµονής (πρέπει να είναι αρκετός για να ολοκληρώνονται οι διεργασίες συσσωµάτωσης και καθίζησης. Συνήθως 1,5 – 2,5h) γ) γεωµετρία (σχήµα, διαστάσεις, σχέση µήκους.-πλάτους-ύψους, κλπ.) δ) διαµορφώσεις εισόδου-εξόδου ε) αριθµός θαλάµων στ) θερµοκρασία περιβάλλοντος & λυµάτων ζ) τρόπος λειτουργίας & συντήρησης Κύρια σηµεία για το σχεδιασµό και τη λειτουργία της σηπτικής δεξαµενής που πρέπει να λαµβάνονται σοβαρά υπόψη είναι: α) λανθασµένος σχεδιασµός ή κακή τοποθέτηση των διαφραγµάτων µπορούν να προκαλέσουν τυρβώδη ροή τοπικά και να µειώσουν την απόδοση της καθίζησης. β) λάθος τοποθέτηση των διαφραγµάτων µπορούν να διευκολύνουν τη διαφυγή επιπλεόντων προς το σύστηµα διάθεσης της εκροής (πχ. λίπη , λάδια που κλείνουν το πορώδες του εδάφους) γ) κακή λειτουργία και συντήρηση µπορούν να µειώσουν τις αποδόσεις του συστήµατος 59 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη δ) διάφορα υλικά που πέφτουν στην αποχέτευση µπορούν να προκαλέσουν βουλώµατα στα ανοίγµατα επικοινωνίας των θαλάµων ή στον αγωγό διάθεσης της εκροής ε) φράξιµο στην αντλία ή στον αγωγό εκκένωσης των λασπών µπορεί να προκαλέσει ανύψωση της στάθµης των λασπών και τη διαφυγή τους µαζί µε την εκροή. Η παραγόµενη λάσπη από τις σηπτικές δεξαµενές θα πρέπει αφαιρείται κάθε 6-12 µήνες τουλάχιστον. Όπως φαίνεται στο Σχήµα 4.5, η λάσπη µετά τις 40 µέρες παραµονή στη σηπτική δεξαµενή (µε µέση θερµοκρασία 20°C), είναι χωνεµένη τουλάχιστον 90%, ενώ συγκριτικά η σταθεροποιηµένη λάσπη που παράγεται από τον παρατεταµένο αερισµό είναι χωνεµένη 40-70%. Επίσης από το ίδιο σχήµα προκύπτει ότι σε 15°C απαιτούνται 55 ηµέρες για σταθεροποίηση του 90% των πτητικών της ιλύος (στην περίπτωσή µας η χώνευση διαρκεί τουλάχιστον 6 µήνες), ενώ τα συστήµατα ενεργού ιλύος µε παρατεταµένο αερισµό δίνουν σταθεροποιηµένη λάσπη µέχρι 60% (Χαιρέτη, 2005). Σχήµα 4.5 Απαιτούµενος χρόνος για χώνευση 90% της πρωτοβάθµιας λάσπης (Πηγή: Μαρκαντωνάτος, 1990) Τα λύµατα, µετά τη σηπτική δεξαµενή, υπερχειλίζουν σε ανεξάρτητο θάλαµο, µέσω σωλήνα, σε στάθµη που εξασφαλίζει ότι δεν θα συµπαρασύρονται αφροί και λίπη (στο κατακόρυφο τοιχίο της δεξαµενής και κάτω από το στόµιο του σωλήνα έχει διαµορφωθεί τριγωνική προεξοχή από σκυρόδεµα). Στο Σχήµα 4.6 φαίνεται σχέδιο σηπτικής δεξαµενής µε την προαναφερόµενη τριγωνική διατοµή. Σχήµα 4.6 Τυπική όψη διθάλαµης σηπτικής δεξαµενής (Πηγή: Σιαράπη κ.α., 2005) 60 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Στο θάλαµο αυτό, έχουν τοποθετηθεί δύο (2) ειδικά κόσκινα εκροής (screen vault). Τα κόσκινα αυτά συγκρατούν στερεά ή λίπη που διέφυγαν, ώστε να προστατεύονται τα επόµενα στάδια από εµφράξεις (αντλίες, δίκτυα διανοµής στις λεκάνες του χαλικόφιλτρου). Στην Εικόνα 4.6 φαίνονται τέτοια φίλτρα. Εικόνα 4.6 Φίλτρα εκροής σηπτικών δεξαµενών (Πηγή: Leverenz et al., 2002) Η δεξαµενή στο υπό εξέταση έργο αποτελείται από τρεις (3) θαλάµους οι οποίοι επικοινωνούν µεταξύ τους µε σωλήνα στο µέσον περίπου του ύψους του ενδιάµεσου τοιχίου. 4.4.3 Μονάδα εξουδετέρωσης οσµαερίων σηπτικής δεξαµενής Γενικά. Ως αποτέλεσµα της αναερόβιας χώνευσης έχουµε την παραγωγή δύσοσµων αερίων, όπως π.χ. υδρόθειο (H2S), αµµωνία (ΝΗ3) και οργανικές ενώσεις, (ινδόλες, σκατόλες, µερκαπτάνες, αµίνες κ.ά) τα οποία σε µεγάλες ποσότητες είναι επικίνδυνα αν δεν λαµβάνονται τα κατάλληλα µέτρα προστασίας. Η αντιµετώπιση των οσµαερίων της σηπτικής δεξαµενής γίνεται µε δίκτυο συγκέντρωσηςαπαγωγής, το οποίο µεταφέρει τα οσµαέρια µε εξαεριστήρα σε βιολογικό φίλτρο µε πληρωτικό υλικό ώριµο κοµπόστ (Εικόνα 4.7). Η διατήρηση της απαιτούµενης υγρασίας στο φίλτρο επιτυγχάνεται µε καταιονισµό των οσµαερίων µε σταγονίδια νερού στο θάλαµο εφύγρανσης (Χαιρέτη, 2005). Εικόνα 4.7 Μονάδα εξουδετέρωσης οσµαερίων (ΜΕΑΛ Επισκοπής) (Πηγή: Χαιρέτη Όλγα, 2005) Το φίλτρο αυτό επιλέχτηκε διότι είναι απλό στην κατασκευή και λειτουργία. Επίσης είναι οικονοµικότερο στη λειτουργία απ' ότι όλα τα άλλα συστήµατα. ∆ε χρησιµοποιεί χηµικά 61 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη όπως οι πλυντρίδες και δεν παράγει κατάλοιπα για εξουδετέρωση όπως τα φίλτρα ενεργού άνθρακα και οι πλυντρίδες. To βιόφιλτρο compost αποτελείται από το σύστηµα εξαερισµού (µε ανοξείδωτο ventilateur), το κυρίως φίλτρο και τη µονάδα εφύγρανσης (κύλινδρο κατακόρυφο µε ακροφύσιο (µπεκ) καταιωνισµού νερού στο ρεύµα των οσµαερίων). Τα φίλτρα τοποθετούνται σε ορθογωνικά δοχεία µε ανοξείδωτη αυλακωτή λαµαρίνα ή εναλλακτικά από πολυεστέρα πάχους 8 mm τουλάχιστον, οπλισµένο µε υαλοβάµβακα ή εναλλακτικά µπορούν να κτιστούν µε οικοδοµικά υλικά. Σ' αυτά τα φίλτρα απόσµησης επιτελείται βιοχηµική διεργασία από µικροοργανισµούς σε φυτικό υπόστρωµα (µίγµα τεµαχίων ξύλου και ώριµου compost ή φυτοχώµατος). Η µόνη εξάρτηση από µηχανήµατα και συσκευές είναι ο εξαεριστήρας µεταφοράς των οσµαερίων, ο οποίος απαιτείται εξάλλου σε κάθε σύστηµα φίλτρανσης. Η λειτουργία τους βασίζεται σε βακτηριακή βιοµάζα που αναπτύσσεται σε ειδικό υπόστρωµα (φλύδες δέντρων ή ροκανίδια µε ώριµο compost και αφοµοιώνει τις ουσίες που περιέχουν τα οσµαέρια (υδρόθειο, φαινόλες, µερκαπτάνες, ινδόλη κλπ.). Η απόδοση καθαρισµού για ένα σωστά σχεδιασµένο βιόφιλτρο compost κυµαίνεται µεταξύ 90 και 99%. Η Σχηµατική τοµή βιοφίλτρου και λεπτοµέρειες των κόκκων, όπως και το σχηµατικό διάγραµµα βιόφιλτρου µε καταιονισµό φαίνονται στα Σχήµατα 4.7 και 4.8 (Χαιρέτη, 2005). Σχήµα 4.7 Σχηµατική τοµή βιοφίλτρου και λεπτοµέρειες κόκκων (Πηγή: OANAK, 2003) Σχήµα 4.8 Σχηµατικό διάγραµµα βιόφιλτρου µε καταιονισµό (Πηγή: OANAK, 2003) 62 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη 4.4.4 Βιολογική επεξεργασία Το σύστηµα βιολογικής επεξεργασίας περιλαµβάνει δεξαµενή τροφοδοσίας (δοσοµέτρησης) αµµόφιλτρου, αµµόφιλτρα, φρεάτιο τροφοδοσίας & παράκαµψης τεχνητού υγροβιότοπου (by-pass) και λεκάνη τεχνητού υγροβιότοπου επιφανειακής ροής (Χαιρέτη, 2005). 4.4.5 ∆εξαµενή τροφοδοσίας αµµόφιλτρου Στην έξοδο της σηπτικής δεξαµενής, προβλέπεται ξεχωριστός θάλαµος (δεξαµενή δοσοµέτρησης, µε ωφέλιµη χωρητικότητα ίση τουλάχιστον µε το 40% της µέγιστης ηµερήσιας παραγωγής λυµάτων (θέρος 40ετίας)). Η δεξαµενή αυτή χρησιµεύει σαν αποθήκη της πρωτοβάθµιας εκροής, που έρχεται από τη σηπτική δεξαµενή µε υπερχείλιση. Από τη δεξαµενή ξεκινά η γραµµή τροφοδοσίας (& ανακυκλοφορίας) του αµµόφιλτρου, που αποτελείται από τις αντλίες τροφοδοσίας (δύο για κάθε λεκάνη αµµόφιλτρου (Εικόνα 4.8)), τους κεντρικούς αγωγούς µεταφοράς - διανοµής (ένα για κάθε αµµόφιλτρο) και του αγωγούς διανοµής της ροής πάνω στο αµµόφιλτρο (Χαιρέτη, 2005). Εικόνα 4.8 Αντλίες τροφοδοσίας βιολογικού αµµόφιλτρου (ΜΕΑΛ Επισκοπής) (Πηγή: Χαιρέτη Όλγα, 2005) Στη δεξαµενή αυτή καταλήγει µε φυσική ροή ο αγωγός επιστροφής, µε τις συλλεκτήριες γραµµές που µεταφέρουν τη διηθηµένη εκροή από κάθε αµµόφιλτρο στη δεξαµενή δοσοµέτρησης. Στη είσοδο του αγωγού αυτού στη δεξαµενή δοσοµέτρησης, υπάρχει µια ειδική βαλβίδα µε µπάλα που κλείνει τη γραµµή προς τη δεξαµενή δοσοµέτρησης (όταν η δεξαµενή γεµίσει) και οδηγεί την περίσσεια προς της δεξαµενή αποθήκης εκροής. Αντί τη χρήση βαλβίδας µπορεί να χρησιµοποιηθεί και υπερχείλιση για την περίσσεια προς τη δεξαµενή αποθήκευσης εκροής (Χαιρέτη, 2005). 4.4.6 Φίλτρο άµµου µε ανακυκλοφορία (recirculating sand filter) Τα αµµόφιλτρα αυτά χαρακτηρίζονται από µεγαλύτερες φορτίσεις σε σχέση µε τα φίλτρα περιοδικής φόρτισης (intermittent filters) και ανακυκλοφορία 100-500 % και χρησιµοποιούνται κυρίως σε µεγαλύτερες εγκαταστάσεις. Βασικά χαρακτηριστικά σχεδιασµού είναι: προεπεξεργασία σε σηπτική δεξαµενή αφαίρεση λιπών και αδροµερών (πρωτοβάθµια), υλικό πλήρωσης άµµος µε διάµετρο 1,5-2,5 mm ή λεπτό χαλίκι, φορτίσεις 63 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη µέχρι 0,2 m³/m²·d (για άµµο 1,5-2,5 mm), πάχος στρώµατος άµµου 60 cm, πάχος υποστρώµατος: 30 cm και πάχος στρώµατος τροφοδοσίας-διανοµής: 25 cm (ΟΑΝΑΚ,2000). Η αναµενόµενη ποιότητα της εκροής µετά την απολύµανση φαίνεται στον Πίνακα 4.5. Όψη του βιολογικού αµµοφίλτρου φαίνεται στην Εικόνα 4.9 (Χαιρέτη, 2005). Πίνακας 4.5 Ποιότητα εκροής (Πηγή: ΟΑΝΑΚ, 2003) Εικόνα 4.9 Όψη βιολογικού αµµοφίλτρου (ΜΕΑΛ Επισκοπής) (Πηγή: Χαιρέτη Όλγα, 2005) 4.4.7 Φρεάτιο τροφοδοσίας & Παράκαµψης τεχνητού υγροβιότοπου (BY-PASS) Το φρεάτιο αυτό (Εικόνα 4.10) χρησιµεύει για τροφοδοσία του τεχνητού υγροβιότοπου µε µηχανικό σίφωνα (και υπερχείλιση ασφαλείας) και για παράκαµψη του σε περίπτωση βλάβης (by-pass) (Χαιρέτη, 2005). Εικόνα 4.10 Φρεάτιο τροφοδοσίας και τµήµα λεκάνης τεχνητού υγροβιότοπου (ΜΕΑΛ Επισκοπής) (Πηγή: Χαιρέτη Όλγα, 2005) 4.4.8 Απολύµανση (χλωρίωση) της εκροής 64 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Γενικά. Απολύµανση των λυµάτων επιτυγχάνεται κατά κανόνα µε την εφαρµογή φυσικών ή χηµικών µεθόδων, όπως χλωρίωση, οζόνωση ή υπεριώδη ακτινοβολία (Ανδρεαδάκης κ.α., 1999). Ο ρυθµός εξουδετέρωσης των παθογόνων µικροοργανισµών (αποτελεσµατικότητα της απολύµανσης) που περιέχονται στα λύµατα (ιοί, βακτήρια, παράσιτα), είναι µια σύνθετη συνάρτηση πολλών µεταβλητών, όπως το είδος, οι ιδιότητες και η δόση του µέσου απολύµανσης, το είδος και η συγκέντρωση των µικροοργανισµών, ο χρόνος επαφής, τα υδραυλικά χαρακτηριστικά της δεξαµενής απολύµανσης, και τα φυσικοχηµικά χαρακτηριστικά των λυµάτων (π.χ. οργανικό φορτίο, αµµωνιακό άζωτο, συγκέντρωση στερεών, θολότητα, θερµοκρασία). Από αυτές, ο χρόνος επαφής, τα χαρακτηριστικά του µέσου απολύµανσης (το είδος, η δόση και η τεχνική εφαρµογής) και τα υδραυλικά χαρακτηριστικά της δεξαµενής απολύµανσης, είναι οι µεταβλητές που ελέγχονται τεχνικά, και κατά συνέπεια αποτελούν τις παραµέτρους σχεδιασµού µιας µονάδας απολύµανσης. Η µέθοδος που χρησιµοποιείται συχνά για την επιλογή/αξιολόγηση του µέσου απολύµανσης και κατά συνέπεια και της διεργασίας, είναι η συσχέτιση της συγκέντρωσης και της απαίτησης σε ποσότητα του απολυµαντικού και του χρόνου που απαιτείται για την επίτευξη ενός συγκεκριµένου ποσοστού καταστροφής των µικροοργανισµών, συνήθως 99%. Γενικά τα µέσα απολύµανσης µπορούν µε βάση τη φύση τους να διαχωριστούν σε δυο µεγάλες κατηγορίες: α) Στα χηµικά. ∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες χηµικών µέσων απολύµανσης, τα οξειδωτικά (π.χ. αέριο χλώριο, υποχλωριώδες νάτριο, διοξείδιο του χλωρίου, στερεό χλώριο, όζον) και τα µη οξειδωτικά (κυρίως οργανικές ενώσεις) β) Στα µη χηµικά (π.χ. υπεριώδη ακτινοβολία) Τα χαρακτηριστικά του ιδανικού απολυµαντικού, που αποτελούν και τα κριτήρια για την επιλογή του, είναι ο υψηλός ρυθµός εξουδετέρωσης των παθογόνων µικροοργανισµών, χαµηλή δραστικότητα µε ουσίες που περιέχονται στο νερό και χαµηλή παραγωγή επικίνδυνων παραπροϊόντων, εύκολη ανιχνευσιµότητα στο νερό, χαµηλή τοξικότητα στους υδρόβιους οργανισµούς, µεγάλη απόδοση της µονάδας, χαµηλό κόστος λειτουργίας και µικρές απαιτήσεις συντήρησης, µηδενική επίδραση του µέσου απολύµανσης στα διάφορα τµήµατα της µονάδας, ο µηδενικός κίνδυνος κατά τη χρήση του και η ασφάλεια κατά τη λειτουργία της µονάδας. Συγκεκριµένα, το επίπεδο ικανοτήτων χειρισµού του προσωπικού, ο βαθµός επίβλεψης και ελέγχου της µονάδας, για να επιτευχθεί ικανοποιητική λειτουργία και απόδοση καθώς και η απαιτούµενη συντήρηση του εξοπλισµού και η ικανότητα του απολυµαντικού να διατηρεί µια υπολειµµατική συγκέντρωση στο σύστηµα διανοµής και να εξασφαλίζει ένα τελικό αποτέλεσµα, το οποίο να προστατεύει την δηµόσια υγεία (Χαιρέτη, 2005). Πρέπει να σηµειωθεί ότι οι παραπάνω ιδιότητες δεν είναι συγκεντρωµένες σε ένα απολυµαντικό, θα πρέπει όµως να λαµβάνονται υπόψη κατά την αξιολόγηση των εναλλακτικών µεθόδων. Για την ικανοποίηση των παραπάνω κριτηρίων, η χρήση διαλύµατος υποχλωριώδους νατρίου, αποτελεί την βέλτιστη επιλογή απολυµαντικού µέσου, δεδοµένου ότι είναι ισχυρό 65 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη οξειδωτικό µέσο. Επίσης, είναι ασταθής ένωση και διίσταται στο νερό (σχηµατίζοντας υποχλωριώδες οξύ HOCl και ιόντα Νa+ και OCl- που αποτελούν το ελεύθερο χλώριο) που στη συνέχεια παίρνουν µέρος σε µια σειρά αντιδράσεις που λαµβάνουν χώρα. Η απόδοση της µονάδας είναι περίπου 99%. Το κόστος λειτουργίας είναι ελάχιστο, γιατί είναι πολύ κοινό χηµικό υλικό, µε χαµηλό κόστος αγοράς και δεν χρειάζεται συντήρηση κανένα µέρος της εγκατάστασης, εκτός από τις δοσοµετρικές αντλίες (π.χ. το διοξείδιο του χλωρίου, που θα µπορούσε εναλλακτικά να χρησιµοποιηθεί, πρέπει να παρασκευάζεται επιτόπου και να χρησιµοποιείται άµεσα στην εγκατάσταση επεξεργασίας). Είναι µηδενικός ο κίνδυνος κατά τη χρήση του. Προσκοµίζεται στις εγκαταστάσεις σε διάλυµα που περιέχει συνήθως 12 – 14% ελεύθερο χλώριο, και αποθηκεύεται σε δεξαµενές ανθεκτικές στη διάβρωση (σε αντίθεση π.χ. µε το αέριο χλώριο, που αν και είναι ιδιαίτερα δραστικό, σε ανάµιξη µε τον ατµοσφαιρικό αέρα σχηµατίζει εκρηκτικό µίγµα). Το υπολειµµατικό χλώριο είναι εύκολα ανιχνεύσιµο. Στα πλαίσια της επισήµανσης των πιθανών περιβαλλοντικών προβληµάτων που µπορεί να προκληθούν από τη χλωρίωση των λυµάτων, πρέπει να σηµειωθεί ότι το χλώριο είναι ιδιαίτερα τοξικό για τους υδρόβιους οργανισµούς. Στις περιπτώσεις που απαιτείται αποµάκρυνση του υπολειµµατικού χλωρίου (δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 6,8 µg/L), πριν από τη διάθεση στον τελικό αποδέκτη, προστίθεται διοξείδιο του Θείου. Οι αντιδράσεις αποχλωρίωσης, είναι στιγµιαίες και δεν απαιτείται ειδική δεξαµενή επαφής για την αποχλωρίωση, παρά µόνο έντονη ανάµιξη στο σηµείο εφαρµογής. Στη συγκεκριµένη µονάδα, ο σχεδιασµός γίνεται θεωρώντας ότι η τροφοδοσία είναι σε υπολειµµατικό (ελεύθερο χλώριο ικανό να αντιδράσει) χλώριο 6 gr ανά m3 εκροής, και λόγω των διεργασιών και της αστάθειας του υποχλωριώδους νατρίου, η τελική εκροή δεν υπερβαίνει τα 2 ppm (Χαιρέτη, 2005). Για τον καθορισµό της γεωµετρίας της δεξαµενής χλωρίωσης χρησιµοποιούνται δύο παράµετροι: α) η λειτουργία της δεξαµενής ως αντιδραστήρας εµβολικής ροής. β) ο αριθµός διασποράς d. Όσο ο αριθµός διασποράς d µικραίνει σε ένα αντιδραστήρα, τόσο η λειτουργία του πλησιάζει προς τον ιδανικό αντιδραστήρα εµβολικής ροής (αν d=0 ιδανικός αντιδραστήρας εµβολικής ροής). Στην πράξη έχει αποδειχτεί ότι τιµές διασποράς µικρότερες από 0,01, βελτιώνουν ελάχιστα τη λειτουργία των δεξαµενών χλωρίωσης. ∆εδοµένου δε ότι για δεξαµενές χλωρίωσης από σκυρόδεµα, που είναι η συνηθέστερη των περιπτώσεων, ισχύει µε ικανοποιητική προσέγγιση d = 0,14 / β, όπου β = µήκος/πλάτος δεξαµενής. Για d= 0,01, βρίσκεται β=14, δηλαδή για να πλησιάσουµε ικανοποιητικά τα χαρακτηριστικά λειτουργίας του αντιδραστήρα εµβολικής ροής το µήκος της δεξαµενής πρέπει να είναι δεκατετραπλάσιο του πλάτους. 66 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Στην πράξη, κατασκευάζονται δεξαµενές µαιανδρικής ροής (Εικόνα 4.11), για να επιτυγχάνεται η παραπάνω απαίτηση σχέσης πλάτους/µήκους . Μετά τη βιολογική επεξεργασία, τα λύµατα οδηγούνται για απολύµανση στη δεξαµενή επαφής χλωρίου όπου προστίθεται (αναλογικά-αυτόµατα) διάλυµα υποχλωριώδους νατρίου για απολύµανση της εκροής. Η λειτουργία των χλωριωτών είναι αναλογική (µε βάση το σήµα του παροχόµετρου). Μετά και την απολύµανση τα απαιτούµενα χαρακτηριστικά των επεξεργασµένων λυµάτων θα ήταν : α) BOD5 ≤ 15 mg/L β) SS ≤ 15 mg/L γ) TC < 100 αποικ./100 ml Τα αναµενόµενα αποτελέσµατα είναι σηµαντικά καλύτερα: α) βιοχηµικά απαιτ. οξυγόνο: BOD5 ≤ 10 mg/L β) αιωρούµενα στερεά: SS ≤ 10 mg/L γ) ολικά κολοβακτηρίδια: (TC) 0-20 αποικ./100 ml Εικόνα 4.11 ∆εξαµενή χλωρίωσης µαιανδρικής ροής (ΜΕΑΛ Επισκοπής) (Πηγή: Χαιρέτη Όλγα, 2005) 4.4.9 ∆εξαµενή αποθήκευσης της εκροής Κατασκευάστηκε µικρή δεξαµενή αποθήκευσης της εκροής, η οποία εκτός της αποθήκευσης µικρής ποσότητας εκροής, εξυπηρετεί την άντληση καθαρισµένων νερών προς την αρδευόµενη περιοχή (Εικόνα 4.12). Σε περίπτωση ζηµιάς σε όλο το σύστηµα του αµµόφιλτρου τα λύµατα µε παρακαµπτήρια διάταξη (by-pass) οδηγούνται από τη σηπτική δεξαµενή στον τεχνητό υγροβιότοπο και από εκεί στη χλωρίωση και τη δεξαµενή εκροής και από τη δεξαµενή αυτή µε άντληση οδηγούνται για διάθεση (άρδευση) σε δασική έκταση. Υπάρχει επίσης η δυνατότητα να έχοµε παράκαµψη µόνο του τεχνητού υγροβιότοπου (αν αυτό χρειαστεί για επεµβάσεις µέσα στη λεκάνη του υγροβιότοπου) (Χαιρέτη, 2005). 67 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Εικόνα 4.12 ∆εξαµενή αποθήκευσης εκροής (ΜΕΑΛ Επισκοπής) (Πηγή: Χαιρέτη Όλγα, 2005) 4.4.10 Κτίριο διοίκησης Το κτίριο διοίκησης (Εικόνα 4.13) εξυπηρετεί τις ανάγκες της εγκατάστασης µε τους χώρους: α) γραφείο-αίθουσα ελέγχου µε τον κεντρικό πίνακα της εγκατάστασης & χώρο εργαστηρίου β) συνεργείο-αποθήκη εργαλείων-ανταλλακτικών γ) χώρο υγιεινής (W.C.) Εικόνα 4.13 Κτίριο ∆ιοίκησης (ΜΕΑΛ Επισκοπής) (Πηγή: Χαιρέτη Όλγα, 2005) 4.5 ∆ΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ ∆ΙΑΘΕΣΗΣ ΤΩΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΜΕΝΩΝ ΛΥΜΑΤΩΝ Τα επεξεργασµένα υγρά αστικά απόβλητα µπορούν να αξιοποιηθούν για (Βουδούρης, 2009): 1) Άρδευση πάρκων, γηπέδων, δενδροκοµικών ή/και καλλωπιστικών καλλιεργειών (µετά από σωστή απολύµανση). 2) Τροφοδοσία τεχνητών λιµνών. 3) Βιοµηχανική χρήση (ψύξη µηχανών, πύργους ψύξης, τροφοδοσία λεβήτων κ.α.) 4) Μη πόσιµες αστικές χρήσεις (πυρόσβεση, καθαρισµός χώρων, κλιµατισµός κ.α.) 5) ∆ηµιουργία χώρων αναψυχής (τεχνητές λίµνες, αύξηση παροχής χειµάρρων, ανάπτυξη αλιευτικών χώρων, ζώνες πρασίνου) 68 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη 6) Αποκατάσταση απερηµωµένων περιοχών και 7) Εµπλουτισµό υπόγειων υδροφορέων Άρδευση Η επαναχρησιµοποίηση για άρδευση των επεξεργασµένων λυµάτων, είτε προέρχονται από βιολογικούς καθαρισµούς, είτε από φυσικά συστήµατα είναι ασφαλής αν γίνει υπό προϋποθέσεις. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται: - εξοικονόµηση φρέσκου νερού - εξοικονόµηση λιπασµάτων, λόγω των θρεπτικών ουσιών των λυµάτων - περιβαλλοντική προστασία των υδάτινων αποδεκτών (λίµνες, ποτάµια, θάλασσα). Η άρδευση είναι ο καλύτερος τρόπος επαναχρησιµοποίησης των επεξεργασµένων λυµάτων γιατί αποφεύγεται η υποβάθµιση της ποιότητας των αποδεκτών και γίνεται εξοικονόµηση νερού, ιδιαίτερα σε περιοχές όπου οι υδατικοί πόροι είναι σε ανεπάρκεια. Επίσης γίνεται φυσική προσθήκη θρεπτικών συστατικών στο έδαφος, όπως άζωτο, φωσφόρος, κάλιο, ψευδάργυρος, βόριο και θείο, που βοηθούν την ανάπτυξη των φυτών. Τα στοιχεία αυτά πρέπει να λαµβάνονται υπόψη κατά τον υπολογισµό της ποσότητας λίπανσης που χορηγείται στις καλλιέργειες µε τις κλασσικές µεθόδους (Βουδούρης, 2009). Η µέθοδος άρδευσης που θα επιλεγεί εξαρτάται από το έδαφος, τις κλιµατικές συνθήκες, το είδος της καλλιέργειας, την ποσότητα και ποιότητα του νερού κ.ά. Η άρδευση µε καταιονισµό (τεχνητή βροχή) µπορεί να µολύνει τόσο τις καλλιέργειες, όσο και τους αγρότες. Επίσης δηµιουργεί προβλήµατα έµφραξης των ακροφυσίων των εκτοξευτήρων. Στην περίπτωση που τα απόβλητα µεταφέρονται µε σωλήνες και διανέµονται σε αυλάκια ο κίνδυνος για τους αγρότες είναι ελάχιστος. Τα σωληνωτά δίκτυα µπορεί να εµφανίσουν προβλήµατα διάβρωσης, όταν τα απόβλητα έχουν χαµηλό pH ή χαµηλές τιµές οξυγόνου µε αποτέλεσµα τον σχηµατισµό υδρόθειου, που είναι διαβρωτικό (Πανώρας & Ηλίας, 1999). Η χρήση συστήµατος µε σταγόνες έχει πολλά πλεονεκτήµατα, αλλά απαιτεί την ύπαρξη κατάλληλων φίλτρων στην αρχή του συστήµατος. Επιπλέον άλλες θετικές επιπτώσεις είναι η δυνατότητα δηµιουργίας ζωνών πρασίνου, η αποφυγή της ερηµοποίησης γόνιµων εδαφών και η βελτίωση υποβαθµισµένων εκτάσεων (Πανώρας & Ηλίας, 1999). Από τις υφιστάµενες έρευνες προκύπτει ότι η διάθεση αστικών λυµάτων σε δασικές φυτείες επιτρέπει την ανάπτυξη βιολογικών δασών µε άριστα προϊόντα ξυλείας. Η παραγόµενη ξυλεία παρουσιάζει καλύτερες µηχανικές, θερµικές και ακουστικές ιδιότητες. Επίσης τα αστικά λύµατα µπορεί να χρησιµοποιηθούν για την άρδευση δενδροστοιχιών πλησίον των εθνικών οδών, αλλά και εντός πόλεων. Στην Καλιφόρνια των ΗΠΑ το ποσοστό των επεξεργασµένων αστικών λυµάτων που χρησιµοποιείται για αρδευτικούς σκοπούς ανέρχεται σε 75%. Επίσης στο Ισραήλ σηµαντικό ποσοστό των επεξεργασµένων αστικών λυµάτων χρησιµοποιείται στη γεωργία για άρδευση (κυρίως βαµβάκι). Στη Γαλλία επίσης η χρήση λυµάτων είναι µια παραδοσιακή τεχνική. Στην Κύπρο, λόγω της ανοµβρίας των τελευταίων ετών αξιοποιούνται τα αστικά λύµατα για αρδευτικούς σκοπούς. Υπάρχουν και άλλες χώρες όπως: Νότια Αφρική, Τυνησία, Ουγγαρία, Αυστραλία κ.α., που χρησιµοποιούν επεξεργασµένα αστικά λύµατα για αρδευτικούς σκοπούς (Βουδούρης, 2009). 69 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Στη χώρα µας άµεση εφαρµογή των υγρών αποβλήτων δεν γίνεται. Η έµµεση χρήση διαµέσου των νερών των ποταµών και των λιµνών είναι συνηθισµένη. Από το Εθνικό Ίδρυµα Αγροτικών Ερευνών (ΕΘΙΑΓΕ) έχουν εκπονηθεί τα τελευταία χρόνια πολλά ερευνητικά προγράµµατα για την επαναχρησιµοποίηση των επεξεργασµένων λυµάτων για αρδευτικούς σκοπούς ή τη δηµιουργία τεχνητών υγροτόπων. Από την αξιολόγηση των αποτελεσµάτων (Πανώρας, 1999) που αφορούν στην αρδευτική χρήση επεξεργασµένων αστικών λυµάτων Θεσσαλονίκης στα ζαχαρότευτλα-βαµβάκι, προκύπτει ότι τα νερά µπορούν να χρησιµοποιηθούν κάτω υπό προϋποθέσεις. Από το έτος 2000 στον ∆ήµο Χερσονήσου του Νοµού Ηρακλείου χρησιµοποιούνται τα επεξεργασµένα λύµατα από τον βιολογικό καθαρισµό για αρδευτικούς σκοπούς, κυρίως για την άρδευση ελαιόδενδρων. Στη Χαλκίδα εγκαινιάσθηκε τον Ιούλιο του 2002 έργο επαναχρησιµοποίησης επεξεργασµένων λυµάτων, όπου περιλαµβάνει άρδευση 13.000 δένδρων στη ζώνη εργατικών κατοικιών στις παρυφές της πόλης. Έτσι επετεύχθη αλλαγή της εικόνας υποβαθµισµένων περιοχών και δηµιουργήθηκαν χώροι αναψυχής για τους κατοίκους της πόλης. Επίσης σχεδιάζεται η βιοµηχανική χρήση των επεξεργασµένων λυµάτων για ψύξη στην υδροβόρο βιοµηχανία ΤΣΙΜΕΝΤΑ ΧΑΛΚΙ∆ΑΣ, καθώς επίσης και για αστική χρήση (πλύσεις δρόµων, δασοπυρόσβεση) εξοικονοµώντας πολύτιµους υδατικούς πόρους (Βουδούρης, 2009). Οι ∆ρακάτος κ.α. (1997) µε βάση ερευνητικά αποτελέσµατα προτείνουν την αξιοποίηση των επεξεργασµένων για άρδευση δασικών ειδών, όπως το Eucalyptus, καθώς και καλλιεργήσιµων δενδροκοµικών ειδών, όπως η Olea europa. Σύµφωνα µε τον Παγκόσµιο Οργανισµό Γεωργίας και Τροφίµων (FAO) τα φυτά που αρδεύονται µε επεξεργασµένα λύµατα ταξινοµούνται σε µια φθίνουσα σειρά κινδύνου µεταφοράς παθογόνων µικροοργανισµών στον άνθρωπο (Πανώρας & Ηλίας, 1999): 1. Λαχανικά που καταναλώνονται νωπά 2. Λαχανικά που καταναλώνονται µαγειρεµένα 3. Ανθοκοµικά είδη που καλλιεργούνται σε θερµοκήπια 4. Φρούτα που καταναλώνονται µε τη φλούδα 5. Γρασίδια σε χώρους αναψυχής 6. Φρούτα που καταναλώνονται χωρίς τη φλούδα 7. Γρασίδια µε περιορισµένη πρόσβαση στο κοινό 8. Φυτά που προορίζονται για ζωοτροφές 9. ∆ένδρα που παράγουν ξηρούς καρπούς 10. Βιοµηχανικά φυτά. Γενικά καλλιέργειες που καταναλώνονται νωπές απαιτούν υψηλή ποιότητα επεξεργασµένων λυµάτων, απαλλαγµένων από παθογόνους µικροοργανισµούς. Για άρδευση δένδρων θα πρέπει να λαµβάνονται υπ’ όψιν τα παρακάτω χαρακτηριστικά και τα όριά τους, τα οποία εξαρτώνται από την περιοχή: α) BOD5 β) SS γ) TC δ) FC 70 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Εµπλουτισµός Οι αυξανόµενες ανάγκες σε νερό, ιδιαίτερα στις ηµίξηρες περιοχές, καθιστούν επιτακτική την ανάγκη επαναχρησιµοποίησης του νερού. Η εφαρµογή τεχνητού εµπλουτισµού των υπόγειων υδροφορέων, δηλ. η επαναπλήρωση των υπόγειων υδροφορέων µε αξιοποίηση περίσσειας φυσικών νερών ή επεξεργασµένων υγρών αποβλήτων γίνεται όλο και πιο σηµαντική. Η χρησιµοποίηση των επεξεργασµένων λυµάτων για τεχνητό εµπλουτισµό συµβάλλει στην αποθήκευση νερού για την κάλυψη αναγκών σε περιόδους, που οι ανάγκες είναι αυξηµένες (ξηρές περίοδοι). Οι κυριότερες µέθοδοι τεχνητού εµπλουτισµού είναι: -η επιφανειακή διήθηση µέσω λεκανών και -η απευθείας εισαγωγή διαµέσου γεωτρήσεων. Η απευθείας εισαγωγή απαιτεί υψηλή ποιότητα επεξεργασµένων αποβλήτων, επειδή είναι αδύνατη η φυσική επεξεργασία διαµέσου της κίνησης στην ακόρεστη ζώνη. Η τεχνική µε λεκάνες διήθησης, συνήθως όπως προαναφέρθηκε, ονοµάζεται SAT και είναι οικονοµικά πιο φθηνή, επειδή δεν απαιτεί προωθηµένη προεπεξεργασία. Όταν γίνεται εφαρµογή της µεθόδου αυτής τα επεξεργασµένα λύµατα κινούνται κατακόρυφα στην ακόρεστη ζώνη προς το σύστηµα συλλογής (τάφρος, γεωτρήσεις άντλησης, αγωγούς υπόγειας ροής κλπ.). Ο µέσος ρυθµός διήθησης κυµαίνεται από 0,5-1x106 m3 ανά έτος για κάθε εκτάριο λεκάνης διήθησης. Το βασικό στοιχείο που απαιτεί προσεκτική θεώρηση κατά την εφαρµογή τεχνητού εµπλουτισµού µε επεξεργασµένα λύµατα είναι οι πιθανές επιπτώσεις στην υγεία από την εισαγωγή παθογόνων οργανισµών και τοξικών στοιχείων. Γι’ αυτό απαιτούνται αυστηρές προδιαγραφές και συνθηκών για την εφαρµογή της µεθόδου. Σηµαντικά παραδείγµατα εφαρµογής τεχνητού εµπλουτισµού µε επεξεργασµένα λύµατα έχει γίνει στην Καλιφόρνια, Νέα Υόρκη, Τέξας, Φλόριντα των ΗΠΑ (µε λεκάνες διήθησης και µε γεωτρήσεις) και στο Ισραήλ (λεκάνες διήθησης). Η αυξανόµενη ζήτηση υδατικών πόρων για την κάλυψη των αναγκών, καθιστούν επιτακτική την ανάγκη επεξεργασίας και επαναχρησιµοποίησης των υγρών λυµάτων. Τα επεξεργασµένα λύµατα ανήκουν πλέον στους µη συµβατικούς υδατικούς πόρους µιας περιοχής και είναι πλούτος, όταν χρησιµοποιούνται κατάλληλα (Βουδούρης, 2009). 71 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη 5. ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΡΥΠΩΝ ΣΤΟΥΣ ΤΕΧΝΗΤΟΥΣ ΥΓΡΟΒΙΟΤΟΠΟΥΣ Οι διεργασίες που λαµβάνουν χώρα κατά την επεξεργασία του αποβλήτου στους τεχνητούς υγροβιότοπους είναι όµοιες µε αυτές που συµβαίνουν στα φυσικά οικοσυστήµατα. Η αποδόµηση της οργανικής ύλης µπορεί να προκύψει είτε µέσω αερόβιων είτε µέσω αναερόβιων διεργασιών. Η ισορροπία µεταξύ των διεργασιών αυτών εξαρτάται από το οργανικό φορτίο καθώς και από την παροχή οξυγόνου. Το οργανικό φορτίο προέρχεται κυρίως από την εισροή του αποβλήτου. Η παροχή του οξυγόνου γίνεται µέσω της ελεύθερης επιφάνειας του νερού και των αλγών που είναι προσκολληµένα στην επιφάνεια των αναδυόµενων φυτών. Σαν συνέπεια των παραπάνω, οι διεργασίες στη στήλη του νερού είναι αερόβιες κατά τη διάρκεια της µέρας, ενώ γίνονται αναερόβιες τη νύχτα. Η παροχή οξυγόνου στα ιζήµατα του υγροβιότοπου είναι αρκετά χαµηλή και έτσι οι διεργασίες εκεί είναι κυρίως αναερόβιες. Παρόλα αυτά από τις ρίζες των φυτών διαρρέεται κάποια ποσότητα οξυγόνου. Όπου η πυκνότητα των ριζών είναι υψηλή η διαρροή αυτή συνεισφέρει στην παροχή οξυγόνου και στα επιφανειακά στρώµατα εδάφους. Σε σύγκριση όµως µε το BOD του αποβλήτου η ροή οξυγόνου από τις ρίζες είναι µικρή και δεν είναι ο κύριος µηχανισµός αποδόµησης των φορτίων του άνθρακα. Η παραγωγή οξυγόνου από τη φυτική ριζόσφαιρα µπορεί να είναι ιδιαίτερα σηµαντική σε άλλες διεργασίες όπως αυτή της νιτροποίησης. Πολλοί από τους µηχανισµούς επεξεργασίας είναι τουλάχιστον µερικώς διαδοχικοί. Για παράδειγµα σε απλές µικροβιακές καλλιέργειες, το µεγαλύτερο µέρος του BOD αποδοµείται πριν ξεκινήσει η νιτροποίηση. Ένα από τα πλεονεκτήµατα ενός πιο περίπλοκου συστήµατος επεξεργασίας, όπως το σύστηµα ενός τεχνητού υγροβιότοπου, είναι, ως ένα σηµείο, ότι αυτοί οι διαδοχικοί µηχανισµοί αποµάκρυνσης µπορούν να συµπιεστούν στο χώρο και στο χρόνο. Παρακάτω ακολουθεί µια πιο λεπτοµερής ανάλυση των µηχανισµών αποµάκρυνσης κάθε ρυπαντή (Σωτηροπούλου, 2008). Οι κυριότεροι µηχανισµοί αποµάκρυνσης ή επεξεργασίας των διαφόρων ρύπων σε συστήµατα επεξεργασίας λυµάτων µε τεχνητούς υγροτόπους ελεύθερης επιφάνειας (FWS) και υπόγειας ροής (SFS) περιγράφονται συνοπτικά, σύµφωνα µε τον Tchobanoglous, στον Πίνακα 5.1 (Κεφαλάκης και Αγγελάκης, 1997). 72 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Πίνακας 5.1 Μηχανισµοί επεξεργασίας στους τεχνητούς υγροβιότοπους (Πηγή: Tchobanoglou, 1997) 5.1 ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ BOD/ άνθρακα Το διαλυµένο ή σε αιώρηση BOD αποµακρύνεται µε διάφορους µηχανισµούς στους τεχνητούς υγροβιότοπους. Το διαλυτό BOD αποµακρύνεται µε την βιολογική δραστηριότητα και την προσρόφησή του στα φυτά και στην επιφάνεια των υποστρωµάτων και στη στήλη του νερού. Οι χαµηλές ταχύτητες και τα αναφυόµενα φυτά διευκολύνουν τη συσσωµάτωση, καθίζηση και την παγίδευση του BOD σε αιώρηση. Ένας τεχνητός υγροβιότοπος έχει µια ποικιλία πηγών ή φορτίων άνθρακα. Το απόβλητο που εισρέει αντιπροσωπεύει το κύριο φορτίο άνθρακα. Υπάρχουν όµως και άλλες σηµαντικές πηγές άνθρακα από την ανάπτυξη της φυτικής βλάστησης και από την ανάπτυξη της βιοµάζας των µικροοργανισµών. Η φύση των πηγών του άνθρακα διαφέρει. Παραδείγµατος χάριν, ο οργανικός άνθρακας στα αστικά απόβλητα µπορεί να είναι εύκολα βιοαποικοδοµήσιµος και δηµιουργεί άµεσα υψηλό BOD. Αντίθετα τα υπολείµµατα των φύλλων που πέφτουν από τα φυτά είναι δύσκολα βιοαποικοδοµήσιµα και διασπώνται αργά. Οι µηχανισµοί αποσύνθεσης του φορτίου του άνθρακα καθορίζεται από µια ισορροπία µεταξύ του φορτίου του άνθρακα και της παροχής οξυγόνου. Το οξυγόνο διοχετεύεται στη 73 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη στήλη νερού του υγροβιότοπου µε διάχυση από τον ατµοσφαιρικό αέρα, µέσω της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας των φυτών στη στήλη νερού. Αν η παροχή οξυγόνου ικανοποιεί την απαίτηση σε οξυγόνο, η αποικοδόµηση του BOD προκύπτει µε αερόβιες διεργασίες. Αν η απαίτηση σε οξυγόνο είναι µεγαλύτερη από την παροχή οξυγόνου, η αποικοδόµηση γίνεται µε αναερόβιες διεργασίες. Η ισορροπία µεταξύ του αερόβιου και αναερόβιου µεταβολισµού µπορεί να επηρεάσει σηµαντικά τις διόδους αποµάκρυνσης του άνθρακα σε έναν υγροβιότοπο. Στα περισσότερα συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων και οι δυο διεργασίες µπορούν να φέρουν αποτελέσµατα. Η αποικοδόµηση της οργανικής ύλης προκύπτει και στα ιζήµατα και στο στρώµα των µικροοργανισµών που αναπτύσσονται στη φυτική βλάστηση (Vymazal, 2002). Έχει παρατηρηθεί, ότι δεν είναι δυνατόν να σχεδιασθεί ένα σύστηµα υγροβιότοπων έτσι ώστε η εκροή να έχει µηδενική συγκέντρωση BOD, όσο µεγάλος κι αν είναι ο χρόνος παραµονής και τούτο διότι παράγεται BOD από την αποσύνθεση της φυτικής ύλης µέσα στον υγροβιότοπο, µε αποτέλεσµα το BOD να κυµαίνεται συνήθως µεταξύ 2 και 7 mg/l (Reed et al., 1995). 5.2 ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΟΛΙΚΩΝ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΣΤΕΡΕΩΝ Τα ολικά αιωρούµενα στερεά των υγρών αποβλήτων αποτελούνται από µια ποικιλία οργανικών και ανόργανων συστατικών. Η πυκνότητα και το µέγεθος των σωµατιδίων διαφέρουν σηµαντικά. Σωµατίδια διαφορετικού µεγέθους και πυκνότητας αποµακρύνονται µε διαφορετικούς µηχανισµούς. Ο κύριος µηχανισµός αποµάκρυνσης των ολικών αιωρούµενων στερεών είναι η συσσωµάτωση και η καθίζηση στο κυρίως υγρό, και η φίλτρανση στα διάκενα του υποστρώµατος. Τα περισσότερα από τα στερεά που έχουν καθιζάνει αποµακρύνονται στα 50 µε 100 ft από το σηµείο εφαρµογής. Η ιδανική αποµάκρυνση στερεών απαιτεί τη διευκόλυνση της φίλτρανσης και της καθίζησης από τη βλάστηση και την αποφυγή επανεµφάνισης αλγών. Τα στερεά που προέρχονται από άλγη απαιτούν 6 µε 10 µέρες χρόνο συγκράτησης έτσι ώστε να αποµακρυνθούν. Τα µεγαλύτερα και βαρύτερα σωµατίδια κατακάθονται στη ζώνη του υγροβιότοπου που εισρέει το απόβλητο. Ελαφρότερα και µικρότερα σωµατίδια κατακάθονται µε τη βοήθεια της φυτικής βλάστησης. Η φυτική βλάστηση του υγροβιότοπου προωθεί την κατακάθιση µειώνοντας την ανάµιξη της στήλης νερού και την επαναιώρηση των σωµατιδίων. Τα µικρότερα σωµατίδια (βακτήρια, άργιλοι, κολλοειδή κ.λ.π.) δε συσσωµατώνονται ώστε να κατακαθίσουν όσο βρίσκονται στον υγροβιότοπο. Για τα σωµατίδια αυτά ο µοναδικός µηχανισµός αποµάκρυνσης είναι η προσκόλλησή τους σε επιφάνειες στη στήλη νερού. Οι επιφάνειες αυτές είναι οι επιφάνειες των φυτών καθώς και οι µικροοργανισµοί που αναπτύσσονται πάνω σε αυτά (Reed et al., 1995). Καθίζηση Η διαδικασία της καθίζησης εξαρτάται από το σχήµα και το µέγεθος του σωµατιδίου που καθιζάνει, τη βαρύτητα και το ιξώδες. Η καθίζηση λαµβάνει χώρα τόσο από µεµονωµένα σωµατίδια, όσο και από συσσωµατωµένα σωµατίδια. Η αντίσταση που επηρεάζει την ταχύτητα καθίζησης εξαρτάται από το µέγεθος του σωµατιδίου την τύρβη και το ιξώδες. Όσον αφορά στα σωµατίδια που έχουν προκύψει από συσσωµατώσεις, η ταχύτητα καθίζησης 74 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη αυξάνεται µε την πάροδο του χρόνου, καθώς η µάζα τους µεγαλώνει συνεχώς. Η συσσωµάτωση λαµβάνει χώρα είτε εξαιτίας φυσικών διεργασιών, είτε εξαιτίας της χηµικής προσρόφησης. Ο σχηµατισµός ολοένα και µεγαλύτερων σωµατιδίων εξαρτάται από την ηλεκτρική φόρτιση στην επιφάνεια της συσσώρευσης. Ποσότητα διαλυµένης ύλης µπορεί να προσροφηθεί στη σωµατιδιακή επιφάνεια ως αποτέλεσµα διάφορων µηχανισµών συγκράτησης, οι οποίοι έχουν σαν αποτέλεσµα την αποσταθεροποίηση των σωµατιδίων και συνεπώς τη σωµατιδιακή συσσωµάτωση (Reed et al., 1995; Vymazal, 2002). Φίλτρανση / Συγκράτηση Η αποµάκρυνση εξαιτίας της φίλτρανσης δεν είναι σηµαντική στους υγροβιότοπους επιφανειακής ροής. Το σώµα των αναφυόµενων φυτών και των φυτικών καταλοίπων δεν παγιδεύει σε µεγάλο βαθµό τα σωµατίδια της εισροής. Η συγκράτηση όµως και η συγκόλληση των σωµατιδίων στην επιφάνεια της φυτικής βλάστησης αποτελεί σηµαντικό µηχανισµό αποµάκρυνσης. Η αποτελεσµατικότητα του µηχανισµού αυτού εξαρτάται από το µέγεθος και τα χαρακτηριστικά των σωµατιδίων, την ταχύτητα ροής και την επιφάνεια της φυτικής βλάστησης στην οποία προσκρούουν τα σωµατίδια. Η επιφάνεια της φυτικής βλάστησης καλύπτεται σταδιακά µε ένα στρώµα µικροοργανισµών το οποίο προσροφά κολλοειδή ή υπερκολλοειδή σωµατίδια και απορροφά διαλυµένα µόρια. Ανάλογα µε τη φύση των στερεών αυτά µπορούν να µεταβολιστούν και να µετατραπούν σε διαλυτά σωµατίδια, αέρια και βιοµάζα ή µπορούν να προσκολληθούν φυσικά στην επιφάνεια του στρώµατος αυτού και να αποδεσµευτούν στη στήλη νερού (Reed et al., 1995; Vymazal, 2002). Επαναιώρηση Στους τεχνητούς υγροβιότοπους επιφανειακής ροής η φυσική επαναιώρηση δεν είναι κυρίαρχη διεργασία. Οι ταχύτητες του νερού είναι συνήθως πολύ µικρές για να προκαλέσουν την αιώρηση σωµατιδίων που έχουν ήδη καθιζάνει. Η πιθανότητα ύπαρξης διαβρωτικών ταχυτήτων βρίσκεται µόνο σε περιπτώσεις υγροβιότοπων µε µεγάλο λόγο µήκους ανά πλάτος που λαµβάνουν µεγάλα φορτία. Υπάρχουν τρεις µηχανισµοί που µπορούν να προκαλέσουν επαναιώρηση σε υγροβιότοπους επιφανειακής ροής: η τύρβη που δηµιουργείται από τον άνεµο, η διατάραξη που προκαλεί η πανίδα του συστήµατος και η επίπλευση που προκαλείται από την παραγωγή αερίων. Σε ανοικτές επιφάνειες νερού ο άνεµος προκαλεί επιφανειακή ροή κατά τη κατεύθυνση του ανέµου και ροή στο βυθό του υγροβιότοπου µε αντίθετη κατεύθυνση. Πολλά ζώα διάφορων ειδών και µεγεθών µπορούν να προκαλέσουν επαναιώρηση των ιζηµάτων σε ένα υγροβιότοπο. Παραδείγµατα τέτοιων ζώων που έχουν παρατηρηθεί είναι ψάρια όπως κυπρίνοι και ψάρια του γένους alosa. Η επαναιώρηση µέσω των αερίων που παράγονται στο σύστηµα προκύπτει όταν τα αέρια αυτά παγιδεύονται ή ενσωµατώνονται στα σωµατίδια του ιζήµατος. Τα αέρια που παράγονται από το σύστηµα είναι κυρίως το οξυγόνο που παράγεται µε τη φωτοσύνθεση και η παραγωγή µεθανίου στις αναερόβιες ζώνες. Σε υγροβιότοπους που είναι πλήρως καλυµµένοι µε βλάστηση, το στρώµα των υπολειµµάτων και το ριζικό σύστηµα της βλάστησης εξασφαλίζουν τη σταθεροποίηση των ιζηµάτων και του εδάφους. Το γεγονός αυτό περιορίζει, αλλά δεν εξαλείφει το πρόβληµα της επαναιώρησης. 75 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Η ποσότητα TSS στην εκροή του υγροβιότοπου συνήθως αποτελείται από στερεά τα οποία δηµιουργούνται εντός του συστήµατος και σπάνια από σωµατίδια τα οποία δεν µπορούν να αποµακρυνθούν από την εισροή. Για το λόγο αυτό οι συγκεντρώσεις των TSS στην εκροή δεν µπορούν να είναι µηδενικές, κυµαίνονται όµως κοντά στις ελάχιστες συγκεντρώσεις που παράγονται από το σύστηµα (συγκεντρώσεις υποβάθρου). Οι συγκεντρώσεις υποβάθρου κυµαίνονται από 2 έως 10 mg/L (Reed et al., 1995; Vymazal, 2002). Σχήµα 5.1 Περιγραφή µηχανισµών επαναιώρησης (Πηγή: EPA, 2002) 5.3 ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΑΖΩΤΟΥ Γενικά Όλοι οι τύποι υγροβιότοπων παρουσιάζουν µεγάλη αποτελεσµατικότητα όσον αφορά στην αφαίρεση αζώτου, η οποία επιτυγχάνεται µε νιτροποίηση και απονιτροποίηση -η πρόσληψή του από τα φυτά αντιπροσωπεύει περίπου το 10% της συνολικής αποµάκρυνσης του αζώτου. Η νιτροποίηση και απονιτροποίηση είναι µικροβιακές αντιδράσεις που εξαρτώνται από τη θερµοκρασία και το χρόνο συγκράτησης. Οι οργανισµοί για την νιτροποίηση απαιτούν οξυγόνο και επαρκή επιφάνεια ώστε να αναπτυχθούν και γι’ αυτό δεν είναι παρόντες σε µεγάλους αριθµούς, ιδιαίτερα όταν το οργανικό φορτίο είναι ιδιαίτερα υψηλό ή/και σε συστήµατα σχετικά νέα µε ατελή κάλυψη φυτικής βλάστησης (Kadlec, 1995; Vymazal, 2002). Ο βαθµός αφαίρεσης του αζώτου είναι συνάρτηση της µορφής µε την οποία το άζωτο εισέρχεται στο σύστηµα (δηλαδή οργανικό άζωτο, ενώσεις αµµωνίου NH4+, διαλυµένη αέρια αµµωνία NH3, νιτρικό NO3 και νιτρώδες άζωτο NO2), του pH, της θερµοκρασίας και του διαλυµένου οξυγόνου. Αυτές οι παράµετροι πρέπει να λαµβάνονται υπόψη στο σχεδιασµό (Reed et al., 1995). Αν και η πρόσληψη αζώτου από τα φυτά λαµβάνει χώρα σε ένα σύστηµα τεχνητών υγροβιότοπων, µόνο ένα µικρό µέρος του ολικού αζώτου µπορεί να αποµακρυνθεί από το συγκεκριµένο µηχανισµό. Οργανικό άζωτο Το οργανικό άζωτο, που περιέχεται στα αιωρούµενα στερεά των υγρών αποβλήτων, αποµακρύνεται όπως αναφέρεται σε µεγάλο ποσοστό µε διήθηση και φιλτράρισµα Επίσης το οργανικό άζωτο, υπό τη µορφή στερεών συστατικών του αποβλήτου, που συνήθως 76 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη περιέχεται σε πολύπλοκες µεγαλοµοριακές ενώσεις, όπως υδατάνθρακες, πρωτεΐνες και λιγνίνη, µπορεί να ενσωµατώνεται κατ’ ευθείαν στην οργανική µάζα ή στο χούµο του εδάφους. Τέλος, ένα ποσοστό του οργανικού αζώτου υδρολύεται σε διαλυτά αµινοξέα και µπορεί να υποστεί περαιτέρω διάσπαση κατά την οποία ελευθερώνεται ιονισµένο αµµώνιο (ΝΗ4+). Αµµωνιακό άζωτο Το αµµωνιακό άζωτο µπορεί να ακολουθεί διάφορους διόδους αποµάκρυνσης. ∆ιαλυµένη αµµωνία µπορεί να αποµακρυνθεί µε εξάχνωσή της ως αέρια αµµωνία, κατ’ ευθείαν στην ατµόσφαιρα. Το ποσοστό αποµάκρυνσης µε αυτή τη δίοδο είναι σχετικά µικρό (<10%). Το µεγαλύτερο ποσοστό εισερχόµενου και/ ή παραγόµενου αµµωνίου προσροφάται προσωρινά δια µέσου αντιδράσεων εναλλαγής ιόντων σε εδαφικά οργανικά και αργιλικά σωµατίδια. Το προσροφηµένο αµµώνιο είναι διαθέσιµο για πρόσληψή του από τα φυτά και µικροοργανισµούς ή για µετατροπή του σε νιτρικό άζωτο δια µέσου της βιολογικής νιτροποίησης. Επειδή το δυναµικό προσρόφησης του αµµωνίου σε φυσικά συστήµατα είναι πεπερασµένο είναι απαραίτητη η νιτροποίησή του για περαιτέρω απελευθέρωσή του και αναγέννηση νέων περιοχών προσρόφησης (Reed et al., 1995). Βιολογική νιτροποίηση Το αµµώνιο µπορεί, όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, να δράσει και σαν υπόστρωµα για µικροβιακούς µετασχηµατισµούς. Η νιτροποίηση είναι µια αερόβια οξείδωση του αµµωνίου σε νιτρικά. Μεγάλος αριθµός µικροοργανισµών που χρησιµοποιούν τον οργανικό άνθρακα σαν πηγή ενέργειας είναι ικανοί να παράγουν οξειδωµένες νιτρικές ενώσεις. Εν τούτοις η νιτροποίηση από αυτότροφους µικροοργανισµούς θεωρείται ο κύριος µηχανισµός µετατροπής του αµµωνίου σε νιτρικό άζωτο. Η νιτροποίηση είναι µια διεργασία που συντελείται σε δυο στάδια από µια οµάδα βακτηρίων. Το πρώτο στάδιο περιλαµβάνει την οξείδωση του αµµωνίου σε νιτρώδη, κυρίως από βακτήρια του γένους Nitrosomas, ενώ το δεύτερο στάδιο περιλαµβάνει την οξείδωση των νιτρωδών σε νιτρικά, κυρίως από βακτήρια του γένους Nitrobacter. Η απόδοση της νιτροποίησης εξαρτάται από ένα µεγάλο αριθµό παραγόντων όπως η παροχή αµµωνίου, η παροχή οξυγόνου και διοξειδίου του άνθρακα, η πυκνότητα του πληθυσµού των βακτηρίων, η θερµοκρασία, pH και αλκαλικότητα. Η παροχή οξυγόνου περιορίζει την νιτροποίηση στην επιφάνεια όπου είναι δυνατή η παροχή οξυγόνου και στα φιλµ των µικροοργανισµών στην επιφάνεια της φυτικής βλάστησης (Reed et al., 1995). Νιτροποίηση. Στη διαδικασία της νιτροποίησης λαµβάνει χώρα η εξής αντίδραση: + - + ΝΗ4 + 2Ο2 → Η2Ο + ΝΟ 3 + 2Η και χρησιµοποιούνται οι παρακάτω εξισώσεις: Εξίσωση (12): Όπου: Co= συγκέντρωση εισροής ρυπαντή, mg/L Ce= συγκέντρωση εκροής ρυπαντή, mg/L -1 KT= Σταθερά κινητικής εξαρτώµενη από τη θερµοκρασία, d t= υδραυλικός χρόνος παραµονής, d. 77 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Εξίσωση (13): Όπου: Q= µέση παροχή στη λεκάνη, m³/d, Co= συγκέντρωση ΤΚΝ στην εισροή, mg/L, Ce= συγκέντρωση αµµωνίας στην εκροή, mg/L, -1 KT= Σταθερά κινητικής εξαρτώµενη από τη θερµοκρασία, d , Πορώδες n: 0,65<n<0,75, d= βάθος νερού λεκάνης, m. α) για θερµοκρασία έως και 0°C θεωρείται ότι οι ρυθµοί της αντίδρασης νιτροποίησης είναι -1 µηδενικοί, δηλαδή ΚΤ= 0 d . β) για θερµοκρασίες 0-1°C η ΚΤ υπολογίζεται µε παρεµβολή γ) για θερµοκρασίες 1-10°C η σταθερά κινητικής, που εξαρτάται από τη θερµοκρασία, υπολογίζεται από την εξίσωση (14) : (Τ-10) ΚΤ = 0,1367(1,15) δ) για θερµοκρασίες µεγαλύτερες των 10°C η σταθερά κινητικής, που εξαρτάται από τη θερµοκρασία, υπολογίζεται µε την εξίσωση (15): (Τ-20) ΚΤ = 0,2187(1,048) Νιτρικό άζωτο Το νιτρικό άζωτο φέρει αρνητικό φορτίο, δε συγκρατείται µε αντιδράσεις εναλλαγής και συνήθως παραµένει σε διάλυση και µεταφέρεται µε τη ροή του νερού. Το νιτρικό άζωτο προσλαµβάνεται από τα φυτά, αλλά η αποµάκρυνσή του µε αυτή τη διεργασία συµβαίνει µόνο στην περιοχή ανάπτυξης των ριζών και σε περιόδους ενεργούς φυτικής βλάστησης. Η κύρια αποµάκρυνση από το σύστηµα επιτυγχάνεται µε τη συγκοµιδή και αποµάκρυνση από το σύστηµα σηµαντικού ποσοστού της παραγόµενης φυτικής βλάστησης. Αντίθετα, όταν η φυτική βλάστηση παραµένει στο σύστηµα, το άζωτο που περιέχεται σε αυτήν επανεισάγεται στο σύστηµα κυρίως ως οργανικό άζωτο. 78 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Σχήµα 5.2 Περιγραφή µηχανισµών αποµάκρυνσης αζώτου (Πηγή: EPA, 2002) Βιολογική απονιτροποίηση Το νιτρικό άζωτο αποµακρύνεται επίσης µε τη διεργασία της βιολογικής απονιτροποίησης και στη συνέχεια µε τη διάχυσή του στην ατµόσφαιρα, κυρίως ως οξειδίου του αζώτου ή ως ελεύθερου αζώτου. Η απονιτροποίηση διενεργείται µε επαµφοτερίζοντα βακτήρια υπό ανοξικές συνθήκες. Γι’ αυτή τη διεργασία δεν είναι απαραίτητο να επικρατούν ανοξικές συνθήκες σε όλο το σύστηµα. Έτσι απονιτροποίηση είναι δυνατό να συµβαίνει σε ανοξικές µικροπεριοχές, παρακείµενες σε ευρύτερες αερόβιες περιοχές. Για µεγιστοποίηση, όµως, της απονιτροποίησης θα πρέπει να βελτιστοποιούνται οι απαιτούµενες συνθήκες γι’ αυτή τη διεργασία. Για την ολοκλήρωση της βιολογικής απονιτροποίησης, εντός των ανοξικών συνθηκών, απαιτείται και µια αυξηµένη αναλογία άνθρακα/ αζώτου. Μια αναλογία άνθρακα/ αζώτου 2:1 είναι απαραίτητη. Βιοµάζα από τη φυτική βλάστηση µπορεί να αποτελέσει µερική πηγή άνθρακα. Σε συστήµατα όµως µε υψηλά φορτία η πηγή άνθρακα θα πρέπει να συµπεριλαµβάνεται στο απόβλητο. Έτσι σε συστήµατα µε εκροές δευτεροβάθµιας επεξεργασίας που έχουν αναλογία άνθρακα/ αζώτου <1, δεν µπορεί να µεγιστοποιηθεί η αποµάκρυνση αζώτου, χωρίς να ληφθούν πρόσθετα µέτρα (Reed et al., 1995). Απονιτροποίηση. Στη διαδικασία της απονιτροποίησης λαµβάνει χώρα η εξής αντίδραση: - 2ΝΟ 3 + Οργανική ύλη → Η2Ο + Ν2+ CΟ2 Η εκτίµηση των απωλειών αζώτου εξαιτίας της απονιτροποίησης µπορούν να εκφραστούν από τις παρακάτω εξισώσεις: Εξίσωση (16) Όπου: Co= συγκέντρωση νιτρικών στην εισροή, mg/L, 79 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Ce= συγκέντρωση νιτρικών στην εκροή, mg/L, Σωτηροπούλου Αγαθονίκη -1 KT= Σταθερά κινητικής εξαρτώµενη από τη θερµοκρασία, d , t= υδραυλικός χρόνος παραµονής, d. Εξίσωση (17): Όπου: Q= µέση παροχή στη λεκάνη, m³/d, Co= συγκέντρωση νιτρικών στην εισροή, mg/L, Ce= συγκέντρωση νιτρικών στην εκροή, mg/L, -1 KT= Σταθερά κινητικής εξαρτώµενη από τη θερµοκρασία, d , Πορώδες n: 0,65<n<0,75, d= βάθος νερού λεκάνης, m α) για θερµοκρασία έως και 0°C θεωρείται ότι οι ρυθµοί της απονιτροποίησης είναι -1 µηδενικοί. δηλαδή ΚΤ= 0 d . β) για θερµοκρασίες µεγαλύτερες του 1°C η σταθερά κινητικής που εξαρτάται από τη θερµοκρασία υπολογίζεται από την παρακάτω Εξίσωση (18): (Τ-20) ΚΤ = 1,00 (1,15) γ) για θερµοκρασίες 1-10°C η σταθερά κινητικής, που εξαρτάται από τη θερµοκρασία, (Τ-10) υπολογίζεται από την εξίσωση (14) : ΚΤ = 0,1367(1,15) δ) για θερµοκρασίες µεγαλύτερες των 10°C η σταθερά κινητικής, που εξαρτάται από τη (Τ-20) θερµοκρασία, υπολογίζεται µε την εξίσωση (15): ΚΤ = 0,2187(1,048) 5.4 ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΦΩΦΣΟΡΟΥ Γενικά Ο φώσφορος στα φυσικά νερά και στα υγρά απόβλητα συναντάται κυρίως υπό τη µορφή φωσφορικών. Τα φωσφορικά ταξινοµούνται σε ορθοφωσφορικά, συµπυκνωµένα (πυροµετα-, και πολύ-) φωσφορικά και οργανικά δεσµευµένα φωσφορικά και εµφανίζονται στο σύστηµα τόσο σε σωµατιδιακή µορφή, όσο και σε διαλυτή µορφή. Ο φώσφορος αποτελεί ένα από τα σηµαντικότερα στοιχεία των οικοσυστηµάτων. Συχνά αποτελεί το κυριότερο περιοριστικό θρεπτικό σε υδάτινα οικοσυστήµατα. Έχει συνήθως την τάση να συσσωρεύεται στο ίζηµα των φυσικών συστηµάτων επεξεργασίας και µε αυτό τον τρόπο αποµακρύνεται. Η επαύξηση των ανόργανων φωσφορικών και της βιοµάζας στο ίζηµα αποτελεί τον κυριότερο µηχανισµό αποµάκρυνσης του φωσφόρου σε ένα σύστηµα επεξεργασίας τεχνητού υγροβιότοπου επιφανειακής ροής (Kadlec, 1995; Vymazal, 2002). Φυσικοί – Χηµικοί διαχωρισµοί 80 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Τα φωσφορικά που βρίσκονται υπό τη µορφή σωµατιδίων µπορούν να εναποτεθούν στον πυθµένα του υγροβιότοπου µέσω της καθίζησης ή να παγιδευτούν στην επιφάνεια της φυτικής βλάστησης και να δεσµευτούν από το στρώµα των µικροοργανισµών. Τα διαλυµένα φωσφορικά µπορούν να δεσµευτούν από τα στρώµατα των µικροοργανισµών που βρίσκονται στην επιφάνεια της φυτικής βλάστησης και στα κατάλοιπά της που επιπλέουν, ή που βρίσκονται στο ίζηµα. Η ανταλλαγή των διαλυµένων φωσφορικών ανάµεσα στο νερό που είναι εγκλωβισµένο στους πόρους και στην υδάτινη στήλη διαµέσου της διάχυσης ή της ρόφησης / εκρόφησης αποτελεί τη κύρια πηγή των διαλυµένων φωσφορικών. Στο εγκλωβισµένο, στους πόρους, νερό του ιζήµατος τα φωσφορικά αυτά µπορούν να κατακρηµνιστούν ως αδιάλυτα σιδηρούχα, ασβεστούχα και αλουµινούχα φωσφορικά ή να προσροφηθούν σε σωµατίδια ιλύος, οργανική τύρφη και σιδηρούχα και αλουµινούχα οξείδια και υδροξείδια. Τα φωσφορικά µπορούν να απελευθερωθούν από τα µεταλλικά σύµπλοκα ανάλογα µε το οξειδοαναγωγικό δυναµικό του συστήµατος. Επίσης, τα φωσφορικά απελευθερώνονται από τα σιδηρούχα και αλουµινούχα σύµπλοκα µε υδρόλυση η οποία λαµβάνει χώρα κάτω από ανοξικές συνθήκες. Τα ροφηµένα φωσφορικά στα σωµατίδια ιλύος και ένυδρα οξείδια µπορούν επίσης να επιστρέψουν στην υδάτινη στήλη µέσω της ανταλλαγής ιόντων. Αν το pH του συστήµατος µειωθεί, ως αποτέλεσµα του βιολογικού σχηµατισµού οργανικών οξέων, νιτρικών ή θειικών, κάποια ποσότητα φωσφορικών µπορεί να εκλυθεί. Με την πάροδο του χρόνου ένα σηµαντικό µέρος των φωσφορικών που έχουν αποµακρυνθεί, δεσµεύεται στο ίζηµα και µε αυτό τον τρόπο αποµακρύνεται από το σύστηµα. Κατά την αρχική περίοδο προσαρµογής ενός συστήµατος FWS µέχρις ότου αυτό σταθεροποιηθεί παρατηρείται µεγάλου βαθµού αποµάκρυνση λόγω των αρχικών αντιδράσεων που συµβαίνουν στον πυθµένα του υγροβιότοπου (Reed et al., 1995). Βιολογικοί µετασχηµατισµοί φωσφορικών Τα διαλυµένα οργανικά φωσφορικά και τα µη διαλυµένα οργανικά και ανόργανα φωσφορικά δεν είναι συνήθως διαθέσιµα για τη βλάστηση µέχρις ότου µετασχηµατιστούν σε διαλυτή ανόργανη µορφή. Οι µετασχηµατισµοί αυτοί πραγµατοποιούνται στη στήλη του νερού από αιωρούµενους µικροοργανισµούς, από τα στρώµατα των µικροοργανισµών στην επιφάνεια των φυτών και στα ιζήµατα. Η λήψη από τους µικροοργανισµούς αποτελεί ένα γρήγορο κυκλικό µηχανισµό. Με το θάνατο και την αποσύνθεση της βλάστησης η µεγαλύτερη ποσότητα των φωσφορικών επιστρέφει πίσω στην υδάτινη στήλη, ενώ κάποια ποσότητα αποµακρύνεται στα καινούρια σχηµατιζόµενα ιζήµατα. Η λήψη φωσφορικών από τα µακρόφυτα πραγµατοποιείται µέσω του ριζικού συστήµατος. Η λήψη πραγµατοποιείται κατά την περίοδο ανάπτυξης της βλάστησης ενώ κάποια ποσότητα φωσφορικών αποδεσµεύεται κατά τη γήρανση των φυτών κατά το τέλος του καλοκαιριού ή το φθινόπωρο, συνοδευόµενη από την αποσύνθεση των φυτικών κατάλοιπων. Η µορφή των φωσφορικών, ο τύπος και η πυκνότητα της φυτικής βλάστησης, ο ρυθµός υδραυλικού φορτίου των φωσφορικών και οι κλιµατικές συνθήκες καθορίζουν τον τύπο και την ποσότητα των φωσφορικών που αποµακρύνονται από το σύστηµα σε κάποια συγκεκριµένη χρονική περίοδο. Η αποµάκρυνση των φωσφορικών δια µέσου των φυτών λαµβάνει χώρα εποχιακά, καθώς κατά την περίοδο γήρανσης των φυτών, η µεγαλύτερη ποσότητα φωσφορικών που έχει αποµακρυνθεί, ελευθερώνεται πίσω στην υδάτινη στήλη. Συνήθως σε υγροβιότοπους επεξεργασίας οι ευκαιρίες επαφής µεταξύ των υγρών αποβλήτων και του εδάφους είναι περιορισµένες, ενώ η αποµάκρυνση της βλάστησης δεν πραγµατοποιείται µε ιδιαίτερα εύκολο τρόπο. Αποτελεσµατική αποµάκρυνση του φωσφόρου παρατηρείται ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια των πρώτων 12- 24 µηνών. Όταν όλο το σύστηµα φτάσει σε ένα επίπεδο ισορροπίας, η αποµάκρυνση του φωσφόρου µειώνεται. Σε γενικές 81 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη γραµµές µε βάση διάφορες εκτιµήσεις και έρευνες, η ετήσια αποµάκρυνση φωσφόρου από συστήµατα FWS παρουσιάζεται περιορισµένη. Μια αποµάκρυνση ολικού φωσφόρου (TP) 30 – 50% πραγµατοποιείται συνήθως σε υγροβιότοπους µε χρόνο συγκράτησης <10 µέρες. Σε κάποια συστήµατα FWS µε χρόνους παραµονής > 20 µέρες παρατηρήθηκαν εκροές < 4 mg/L µε εισροή > 10 mg/L. Απαιτείται µεγάλη έκταση και επιπρόσθετη επεξεργασία για µεγάλου βαθµού αποµάκρυνση του φωσφόρου σε τυπικά συστήµατα υγροβιότοπων (Reed et al., 1995). 5.5 ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΠΑΘΟΓΟΝΩΝ ΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ Οι παθογόνοι οργανισµοί που εισέρχονται σε ένα τεχνητό υγροβιότοπο µπορεί να είναι ενσωµατωµένα στα ολικά αιωρούµενα στερεά ή µπορεί να αιωρούνται στην εισροή του αποβλήτου. Αυτοί που είναι ενσωµατωµένοι στα ολικά στερεά αποµακρύνονται µε τους ίδιους µηχανισµούς που αποµακρύνονται και τα TSS. Οι µηχανισµοί αυτοί έχουν αναλυθεί παραπάνω και είναι η καθίζηση, η φίλτρανση και η ρόφηση. Αφού διαχωριστούν από τη στήλη νερού, οι ζωντανοί µικροοργανισµοί διαχωρίζονται από τη στήλη νερού µπορούν να αποδεσµευτούν και να συγκρατηθούν στα στρώµατα των µικροοργανισµών ή στους πόρους των ιζηµάτων που περιέχουν νερό, ή να εισέλθουν ξανά στη στήλη νερού. Ανεξάρτητα από το πού θα βρεθούν, πρέπει να ανταγωνιστούν µε το σύνολο των οργανισµών που τους περιβάλουν. Σαν εντερικοί οργανισµοί, συνήθως απαιτούν πλούσιο υπόστρωµα και υψηλές θερµοκρασίες. Οι περισσότεροι δεν µπορούν να επιζήσουν τον ανταγωνισµό αυτό. Οι περισσότεροι θα καταστραφούν σαν θηράµατα άλλων οργανισµών ή από την ακτινοβολία UV, αν βρεθούν κοντά στην επιφάνεια του νερού. Η αποµάκρυνση των παθογόνων µικροοργανισµών στους υγροβιότοπους φαίνεται να έχει άµεση σχέση µε την αποµάκρυνση των ολικών αιωρούµενων στερεών και το χρόνο συγκράτησης. Έχουν διεξαχθεί λίγες µελέτες για την επίδραση των τεχνητών υγροβιότοπων στους παθογόνους µικροοργανισµούς που βρήκαν παρόµοια αποµάκρυνση σε εισροές µολυσµένες µε σαλµονέλα και κολοβακτηρίδια MS2. Πολλοί παθογόνοι µικροοργανισµοί είναι πιο ευαίσθητοι στο περιβάλλον των υγροβιότοπων από ότι οι οργανισµοί που χρησιµοποιούνται σα δείκτες, όπως τα βακτήρια E.coli και οι στρεπτόκοκκοι. Μερικοί όµως ιοί και πρωτόζωα µπορεί να είναι πιο ανθεκτικοί. Μεµονωµένα αποτελέσµατα που αφορούν σε ιούς έχουν καταγραφεί, και οι µηχανισµοί που επηρεάζουν την αποµάκρυνσή τους είναι διαφορετικοί από αυτούς που καταστρέφουν τους δείκτες. Είναι επίσης σηµαντικό να αναφερθεί ότι παθογόνοι µικροοργανισµοί µπορούν να αναπτυχθούν µέσα στον υγροβιότοπο. Επίσης τέτοιοι οργανισµοί µπορούν να βρεθούν ακόµα και στους φυσικούς υγροβιότοπους. Η ποσότητα αυτή των µικροοργανισµών µπορεί να διαφέρει ανάλογα µε την εποχή και άλλες λειτουργικές παραµέτρους του συστήµατος. Θα έπρεπε επίσης να αναφερθεί ότι γενικά οι µικροοργανισµοί δεν προέρχονται πάντα από ανθρώπινες πηγές. Παρόλα αυτά οι εκροές των τεχνητών υγροβιότοπων όσον αφορά στους παθογόνους οργανισµούς είναι απίθανο να βρίσκονται εντός των επιτρεπόµενων ορίων από την νοµοθεσία. Γι’ αυτό απαιτείται περαιτέρω επεξεργασία για τη διάθεσή τους στο περιβάλλον (Reed et al., 1995). 5.6 ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 82 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Παρόλο που ίχνη µερικών µετάλλων είναι απαραίτητα για την ανάπτυξη φυτών και ζώων αυτά τα ίδια µέταλλα µπορεί να είναι τοξικά σε υψηλότερες συγκεντρώσεις. Άλλα 42 µέταλλα δεν έχουν καµία βιολογική σηµασία και µπορούν να είναι τοξικά ακόµα και σε πολύ χαµηλές συγκεντρώσεις. Τα µέταλλα που εισέρχονται σε έναν τεχνητό υγροβιότοπο σαν αδιάλυτα αιωρούµενα στερεά αποµακρύνονται από τη στήλη νερού από τους ίδιους µηχανισµούς που αποµακρύνονται τα TSS. Ανάλογα µε το pH και το δυναµικό οξειδοαναγωγής, τα αδιάλυτα σωµατίδια µπορεί να διαλυθούν ξανά και να επιστρέψουν στην υδατική φάση. Σηµαντικοί µηχανισµοί αποµάκρυνσης µετάλλων είναι η ανταλλαγή κατιόντων µε τα ιζήµατα του υγροβιότοπου, η δέσµευση από οργανική ύλη, η χηµική κατακρήµνιση σε αδιάλυτα άλατα, σουλφίδια, ανθρακικά και η πρόσληψη από φυτά, άλγη και βακτήρια. Τα δεσµευµένα µέταλλα παραµένουν στα ανοξικά ιζήµατα όπου προκύπτουν. Αυτά τα δεσµευµένα µέταλλα δεν είναι συνήθως βιοδιαθέσιµα και παραµένουν αποµακρυσµένα από το σύστηµα. Αν τα ιζήµατα διαταραχθούν ή προκληθεί επαναιώρηση τους, τα αποµονωµένα µέταλλα θα επιστρέψουν στην υδατική φάση (Karvelas et al, 2003). Τα µέταλλα ενσωµατώνονται στη βιοµάζα των υγροβιότοπων. Απορροφώνται από τη φυτική βλάστηση µέσω του ριζικού συστήµατος και έπειτα κατανέµονται σε όλο το φυτό. Ο βαθµός της απορρόφησης αυτής εξαρτάται από το είδος του µετάλλου και το είδος του φυτού. Ορισµένοι µελετητές βρήκαν ότι η πρόσληψη των µετάλλων από τα φυτά είναι µικρή σε συστήµατα υποεπιφανειακής ροής, ενώ άλλοι ισχυρίζονται ότι µέταλλα µπορούν να βρεθούν στις ρίζες των φυτών εξαιτίας της χηµικής κατακρήµνισης και της προσρόφησης. Κάποιες µελέτες, έχουν δείξει ότι µέταλλα όπως το κάδµιο, το χρώµιο, ο χαλκός, ο µόλυβδος, ο υδράργυρος, το νικέλιο και ο ψευδάργυρος µπορούν να αποµονωθούν στο χώµα και στη χλωρίδα και πανίδα του συστήµατος (Mungur et al, 1995; Reed et al., 1995). Ως τώρα δεν υπάρχουν επαρκή µακροχρόνια στοιχεία για τεχνητούς υγροβιότοπους µεγάλης κλίµακας, που να παρέχουν µια αξιόπιστη εκτίµηση για την απόδοση της αποµάκρυνσης των µετάλλων από τα απόβλητα. Εν τούτοις, σε συστήµατα υποεπιφανειακής ροής και σε συστήµατα επιφανειακής ροής πλήρως καλυµµένα µε βλάστηση, οι αναερόβιες συνθήκες συντελούν στην κατακράτηση των περισσότερων µετάλλων µε την κατακάθιση των ολικών αιωρούµενων στερεών και την µείωση της επαναιώρησης. 5.7 ΑΛΛΑ ΟΡΓΑΝΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ Υπάρχει µια ανησυχία για την τύχη πολλών ιχνών οργανικών ενώσεων, που περιέχονται στα απόβλητα, στο περιβάλλον. Οι οργανικές αυτές ενώσεις είναι µικροβιοκτόνα, θρεπτικά και άλλες ουσίες που προκύπτουν από χηµικές διεργασίες και ανήκουν στην κατηγορία των πιο σηµαντικών ρυπαντών. Η τύχη των ρυπαντών αυτών σε έναν υγροβιότοπο εξαρτάται από τις ιδιότητες της κάθε ένωσης, τα χαρακτηριστικά του υγροβιότοπου, το είδος της φυτικής βλάστησης και από άλλους περιβαλλοντικούς παράγοντες. Οι πιο σηµαντικοί µηχανισµοί διαχωρισµού και αποµάκρυνσης είναι η εξάτµιση, η καθίζηση, η βιοαποικοδόµηση, η προσρόφηση και η απορρόφησή τους από τα φυτά. Αυτοί οι µηχανισµοί έχουν ήδη αναλυθεί. Οι συντηρητικές οργανικές ενώσεις που έχουν διαχωριστεί από τη στήλη νερού συσσωρεύονται στα ιζήµατα του υγροβιότοπου. Ένα µέρος απορροφάται από τα φυτά και επιστρέφει στο σύστηµα µε την αποσύνθεσή τους. Από τη βιοαποικοδόµηση ορισµένων οργανικών ενώσεων προκύπτει η παραγωγή ανόργανων τελικών προϊόντων, ή η παραγωγή 83 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη τελικών προϊόντων περισσότερο τοξικών από τις αρχικές ενώσεις (Reed et al., 1995). Προς το παρόν όµως δεν υπάρχουν αρκετά στοιχεία για την αποτελεσµατικότητα της µακροπρόθεσµης αποµάκρυνσης και για την καταστροφή των κυριότερων ρυπαντών. 5.8 ΜΟΝΤΕΛΑ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗΣ ΡΥΠΑΝΤΩΝ Όσον αφορά τα µοντέλα εκτίµησης αποµάκρυνσης ρυπαντών, για την ταχεία εκτίµηση αποµάκρυνσης τους σε συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων, έχουν αναπτυχθεί διάφορα εµπειρικά µοντέλα που βασίζονται στον υδραυλικό ρυθµό φόρτισης και παρουσιάζονται παρακάτω. Υδραυλικός Ρυθµός Φόρτισης Ο υδραυλικός ρυθµός φόρτισης (Hydraulic Loading Rate: HLR) υπολογίζεται µε την εξίσωση (19): Όπου: Q= µέση παροχή στη λεκάνη, m³/d, As= συνολική επιφάνεια λεκανών, (m²). Γενικά, τα µοντέλα αυτά είναι απλά, δεν χρησιµοποιούνται για το σχεδιασµό, αλλά µπορούν να δώσουν προσεγγιστικές τιµές απόδοσης των συστηµάτων, επειδή όµως δεν θεωρούν σηµαντικούς παραµέτρους, όπως είναι η θερµοκρασία, σε ορισµένες περιπτώσεις µπορεί να έχουν αποκλίσεις από τις πραγµατικές τιµές. TSS. Η αποµάκρυνση των TSS υπολογίζεται από την συγκέντρωση TSS στην έξοδο όταν είναι γνωστή η συγκέντρωση στην είσοδο και ο υδραυλικός χρόνος παραµονής από την εξίσωση (20): Όπου: Co= συγκέντρωση TSS στην εισροή, (mg/L), Ce= συγκέντρωση TSS στην εκροή, (mg/L), HLR= υδραυλικός ρυθµός φόρτισης, που συνήθως κυµαίνεται από 0,4-75 cm/d. Έχει αποδειχθεί επαρκής για τιµές του HLR µεταξύ 0,4 και 75 cm/d: Ολικός Φωσφόρος Η αποµάκρυνση TP υπολογίζεται από την συγκέντρωση TP στην έξοδο όταν είναι γνωστή η συγκέντρωση στην είσοδο και ο υδραυλικός χρόνος παραµονής, από την εξίσωση (21): Όπου: Co= συγκέντρωση φωσφόρου στην εισροή, mg/L, Ce= συγκέντρωση φωσφόρου στην εκροή, mg/L, KP= 2,73 (cm/d), HLR= υδραυλικός ρυθµός φόρτισης, cm/d. 84 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη 6. ΑΛΛΑ ΦΥΣΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ Όλοι οι τύποι φυσικών συστηµάτων επεξεργασίας απαιτούν προεπεξεργασία των χρησιµοποιούµενων υγρών αποβλήτων, µε κάποια µηχανική ή συµβατική διεργασία. Η ελάχιστη προεπεξεργασία που συνιστάται είναι η εσχάρωση ή η πρωτοβάθµια καθίζηση, µε σκοπό την αποµάκρυνση των στερεών, που θα µπορούσαν να προξενήσουν προβλήµατα στα δίκτυα διανοµής ή να δηµιουργήσουν ενοχλητικές συνθήκες στον περιβάλλοντα χώρο. Οι τύποι των φυσικών συστηµάτων είναι οι παρακάτω (EPA, 1988; Metcalf & Eddy, 1991 & 2003; Αγγελάκης & Tchobanoglous, 1995; Tsonis, 2004; Στασινάκης, 2008): 6.1 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΒΡΑ∆ΕΙΑΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ (Slow-rate systems) Η βραδεία εφαρµογή αποτελεί τον επικρατέστερο τύπο φυσικού συστήµατος επεξεργασίας υγρών αποβλήτων. Αυτό συνοπτικά περιλαµβάνει την ελεγχόµενη εφαρµογή του προεπεξεργασµένου αποβλήτου σε έδαφος µε φυτική βλάστηση, µε σκοπό την περαιτέρω επεξεργασία του και την ικανοποίηση εξατµισοδιαπνευστικών αναγκών της φυτικής βλάστησης. Η επεξεργασία διενεργείται καθώς αυτό διηθείται στο έδαφος. Στις περισσότερες περιπτώσεις το απόβλητο κατεισδύει στον υποκείµενο υδροφορέα, αλλά είναι δυνατό να συναντηθεί µε επιφανειακό νερό ή να ανακτηθεί µε στραγγιστικά ή φρεατικά έργα. Η εφαρµογή του υγρού αποβλήτου στο έδαφος µπορεί να γίνει µε ποικιλία µεθόδων, όπως είναι οι επιφανειακές µέθοδοι (λεκάνες, αύλακες, και άλλες) ή µε καταιονισµό. Με σκοπό την επικράτηση ακόρεστων συνθηκών στο έδαφος επιβάλλεται η µη συνεχής εφαρµογή του αποβλήτου σε αυτό. Η σχετικά βραδεία εφαρµογή του αποβλήτου, σε συνδυασµό µε την παρουσία της φυτικής βλάστησης και την ενδογενή δυνατότητα του εδαφικού οικοσυστήµατος, δηµιουργούν στα συστήµατα βραδείας εφαρµογής υψηλό δυναµικό επεξεργασίας. Τα συνηθέστερα προβλήµατα που προκύπτουν κατά την εφαρµογή των συστηµάτων βραδείας εφαρµογής σχετίζεται µε την υπερεκτίµηση της µακροχρόνιας ικανότητας διήθησης του χώµατος. Τα προβλήµατα αυτά έχουν να κάνουν µε τη δυσκολία υπολογισµού και επαλήθευσης του ρυθµού διήθησης κατά τις αρχικές έρευνες της περιοχής αλλά και µε αλλαγές στη δοµή του χώµατος που µπορεί να προκύψουν κατά τη διάρκεια κατασκευής ή λειτουργίας του συστήµατος. Τα προβλήµατα αυτά εµφανίζονται σε περιοχές µε αργιλώδη εδάφη και σε εδάφη που κατά περιόδους ο υδροφόρος ορίζοντας βρίσκεται σε υψηλά επίπεδα ή σε εδάφη που εξαιτίας χηµικών και φυσικών διεργασιών µειώνεται η διαπερατότητά τους. Εξαιτίας της µεγάλης απαίτησής των φυσικών συστηµάτων βραδείας εφαρµογής σε επιφάνεια γης και εξαιτίας του κόστους των απαιτούµενων σωληνώσεων και αντλιών για τη διανοµή του αποβλήτου, τα συστήµατα αυτά έχουν σχετικά µεγαλύτερο κόστος από τα υπόλοιπα φυσικά συστήµατα επεξεργασίας (Σωτηροπούλου, 2008). 85 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Σχήµα 6.1 Σύστηµα βραδείας εφαρµογής (Πηγή: Metcalf & Eddy, 1991) 6.2 ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΑΧΕΙΑΣ ∆ΙΗΘΗΣΗΣ (Rapid Infiltration) Τα συστήµατα αυτά ονοµάζονται επίσης SAT (Soil-Aquifer-Treatment). Με τα συστήµατα αυτά το υγρό απόβλητο, που έχει υποστεί προεπεξεργασία, εφαρµόζεται σε αβαθείς επιφανειακές λεκάνες διήθησης και επαναλαµβανόµενους κύκλους. Η εφαρµογή του αποβλήτου είναι δυνατή και µε εκτοξευτές υψηλής ταχύτητας. Συνήθως σε τέτοιες περιπτώσεις δεν είναι απαραίτητη η ύπαρξη φυτικής βλάστησης πλην της περιπτώσεως όπου η εφαρµογή του αποβλήτου διενεργείται µε εκτοξευτές. Επειδή σε τέτοια συστήµατα τα φορτία και οι ταχύτητες εφαρµογής είναι σχετικά υψηλά, οι απώλειες µε εξάτµιση είναι µικρές και γι’ αυτό ο µεγαλύτερος όγκος του εφαρµοζόµενου αποβλήτου κατεισδύει στο έδαφος, όπου διενεργείται περαιτέρω επεξεργασία του. Τα συστήµατα ταχείας διήθησης περιλαµβάνουν επεξεργασία, που ακολουθείται από: α) εµπλουτισµό υπόγειου υδροφορέα για αναπλήρωση ή προστασία του κυρίως από διείσδυση και ανάµειξη µε αλµυρό νερό, β) ανάκτηση µε στράγγιση ή άντληση και γ) φυσική ροή του υπόγειου και απόληξη σε επιφανειακή πηγή. Το δυναµικό επεξεργασίας µε τέτοια συστήµατα είναι κατά κάποιο τρόπο µικρότερο από αυτό των συστηµάτων βραδείας εφαρµογής, εξαιτίας της µικρότερης κατακράτησης σε πιο περατά εδάφη εφαρµογής και µε µεγαλύτερες ταχύτητες υδραυλικού φορτίου. Παρόλο που αποµακρύνονται ένα σηµαντικό µέρος σωµατιδιακής οργανικής ύλης και των θρεπτικών που περιέχονται στα προεπεξεργασµένα απόβλητα, οι διαλυµένες στο νερό ουσίες δεν ελαττώνονται. Ένα από τα πιθανά προβλήµατα που µπορεί να προκύψουν στα συστήµατα ταχείας εφαρµογής είναι η οξείδωση των αζωτούχων συστατικών στην αερόβια ζώνη του εδάφους µε αποτέλεσµα την πιθανή αύξηση των νιτρικών στον υποκείµενο υδροφορέα. Ένα άλλο πιθανό πρόβληµα είναι η λανθασµένη εκτίµηση του ρυθµού διήθησης µακροχρόνια (Σωτηροπούλου, 2008). 6.3 ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΡΟΗΣ (Overland Flow systems) Τα συστήµατα επιφανειακής ροής βασίζονται στην εφαρµογή του προεπεξεργασµένου υγρού αποβλήτου κατά µήκος της υψηλότερης πλευράς µιας διαβαθµισµένης, κεκλιµένης επιφάνειας µε φυτική βλάστηση, που επιτρέπει τη ροή του σε όλη την έκτασή της και τη 86 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη συλλογή της επεξεργασµένης εκροής στο τέλος της κλίσης της. Συνήθως, τα συστήµατα επιφανειακής ροής εφαρµόζονται σε θέσεις µε εδάφη σχεδόν αδιαπέραστα, αν και οι διεργασίες αυτών των συστηµάτων έχουν εφαρµογή σε µια ποικιλία εδαφικών τύπων και υδραυλικών αγωγιµοτήτων, επειδή η περατότητα του εδάφους σε τέτοια συστήµατα µειώνεται σηµαντικά µε το χρόνο. Με αυτά τα συστήµατα η εδαφική διήθηση του αποβλήτου είναι περιορισµένη και αποτελεί µια µειωµένη υδραυλική δίοδο του αποβλήτου. Ο κύριος όγκος του εφαρµοζόµενου αποβλήτου συλλέγεται ως επιφανειακή απορροή. Μέρος του εφαρµοζόµενου αποβλήτου εξατµισοδιαπνέεται. Οι συνολικές απώλειες του αποβλήτου εξαρτώνται από την εποχή του έτους, τις τοπικές κλιµατολογικές συνθήκες και το είδος της φυτικής βλάστησης. Τα συστήµατα αυτά λειτουργούν µε εναλλασσόµενες περιόδους εφαρµογής και ανάπαυσης (ξήρανσης). Η χρονική διάρκεια κάθε περιόδου εξαρτάται από το σκοπό της επεξεργασίας. Σ’ αυτά τα συστήµατα η διανοµή γίνεται µε εκτοξευτές υψηλής ή χαµηλής πίεσης ή µε επιφανειακές µεθόδους, όπως είναι οι σωλήνες µε ρυθµιζόµενες εξόδους (Σωτηροπούλου, 2008). Τα προβλήµατα που εµφανίζονται στα συστήµατα επιφανειακής ροής είναι: 1) Προβλήµατα που έχουν να κάνουν µε τη διατήρηση της φυτικής βλάστησης και 2) Προβλήµατα που έχουν να κάνουν µε την επίτευξη της απαιτούµενης αποµάκρυνσης των αιωρούµενων στερεών. Και τα δυο είδη αυτά προβληµάτων οφείλονται στη δυσκολία διατήρησης οµοιόµορφης ροής στις πλαγιές του κάθε συστήµατος. Η δηµιουργία µικρών λιµνών στις πλαγιές ενός συστήµατος επιφανειακής ροής µε µικρή κλίση και έχει σαν αποτέλεσµα την µείωση του οξυγόνου του χώµατος και τελικά το θάνατο της φυτικής βλάστησης. Επίσης µεγαλύτερες κλίσης µπορεί να έχουν σαν αποτέλεσµα, τη διάβρωση του εδάφους και τελικά την αύξηση της συγκέντρωσης ανόργανων στερεών συστατικών στην εκροή. Ένας άλλος παράγοντας που επίσης µπορεί να συνεισφέρει στην αύξηση της συγκέντρωσης των αιωρούµενων στερεών είναι η αδυναµία των συστηµάτων επιφανειακής ροής να αποµακρύνουν άλγη. 6.4 ΛΙΜΝΕΣ ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΣΗΣ (Stabilization Ponds) Οι λίµνες σταθεροποίησης χρησιµοποιούνται για την επεξεργασία µεγάλης ποικιλίας υγρών αποβλήτων, από οικιακά απόβλητα µέχρι και σύνθετα βιοµηχανικά απόβλητα, και λειτουργούν κάτω από ένα µεγάλο εύρος καιρικών συνθηκών. Οι λίµνες µπορούν να χρησιµοποιηθούν σαν µοναδικό µέσο επεξεργασίας ή σε συνδυασµό µε άλλα συστήµατα επεξεργασίας. Ο πιο συνηθισµένος τύπος λιµνών είναι οι επαµφοτερίζουσες λίµνες. Οι λίµνες αυτές έχουν βάθος 1,2 έως 2,5 m, µε µια αερόβια ζώνη να βρίσκεται πάνω από µια αναερόβια ζώνη. Στην αναερόβια ζώνη λαµβάνουν χώρα αναερόβιες ζυµώσεις. Ο αερισµός της αερόβιας ζώνης επιτυγχάνεται από τη φωτοσύνθεση των αλγών και τον αερισµό από την επιφάνεια. Τα άλγη 87 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη που αναπτύσσονται στις λίµνες αυτές αποτελούν το κυριότερο πρόβληµα κατά τη λειτουργία τους. Ένας άλλος τύπος λιµνών είναι οι αεριζόµενες λίµνες. Στις λίµνες αυτές ο αερισµός επιτυγχάνεται κυρίως µε µηχανικό τρόπο και όχι µέσω της φωτοσύνθεσης και του επαναερισµού µέσω της επιφάνειας. Το κύριο πλεονέκτηµα των αεριζόµενων λιµνών είναι ότι έχουν µικρότερες απαιτήσεις σε γη. Οι αναερόβιες λίµνες λαµβάνουν τόσο βαριά οργανικά φορτία έτσι ώστε δεν υπάρχει δυνατότητα αερισµού τους. Οι κύριες βιολογικές αντιδράσεις που λαµβάνουν χώρα είναι στις αναερόβιες λίµνες είναι ο σχηµατισµός οξέων και η ζύµωση µεθανίου. Τυπικά οι αναερόβιες λίµνες χρησιµοποιούνται για την επεξεργασία δυνατών βιοµηχανικών και γεωργικών αποβλήτων ή αποτελούν ένα στάδιο προεπεξεργασίας. ∆εν έχουν εκτεταµένη χρήση στην επεξεργασία οικιακών λυµάτων (Σωτηροπούλου, 2008). 6.5 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΙΠΛΕΟΝΤΩΝ Υ∆ΡΟΧΑΡΩΝ ΦΥΤΩΝ (Floating aquatic plant systems) Τα συστήµατα επιπλεόντων υδροχαρών φυτών οµοιάζουν στη βασική τους σύλληψη µε αυτά των υγροβιότοπων ελευθέρας επιφανείας µε τη διαφορά ότι τα χρησιµοποιούµενα φυτά είναι επιπλέοντα είδη, όπως είναι ο υάκινθος του νερού (Eichhornia crassipes) και διάφορα είδη της οικογένειας Lemnaceae. Σ’ αυτά τα συστήµατα το βάθος του νερού είναι συνήθως µεγαλύτερο από αυτό των συστηµάτων των τεχνητών υγροβιότοπων ελεύθερης επιφάνειας και συνήθως κυµαίνεται από 0,5 ως 1,8 m. Επίσης, σ’ αυτά τα συστήµατα εφαρµόζεται συνήθως συµπληρωµατικός αερισµός για την αύξηση της ικανότητας επεξεργασίας και τη διατήρηση αερόβιων συνθηκών και βιολογικού ελέγχου της ανάπτυξης κουνουπιών. Τέτοια επιπλέοντα υδροχαρή φυτά έχουν επίσης χρησιµοποιηθεί για την αποµάκρυνση αλγών από εκροές λιµνών σταθεροποίησης. Τα συνήθη υδραυλικά φορτία και η ειδική έκταση των συστηµάτων επεξεργασίας µε επιπλέοντα υδροχαρή φυτά είναι ισοδύναµα των αντιστοίχων συστηµάτων τεχνητών υγροβιότοπων (Σωτηροπούλου, 2008). Σχήµα 6.2 Σύστηµα επιπλεόντων υδροχαρών φυτών (Πηγή: Metcalf & Eddy, 1991) 6.6 Υ∆ΑΤΟΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ Υδατοκαλλιέργεια είναι η ανάπτυξη ψαριών και άλλων υδρόβιων οργανισµών σε εκροές υγρών αποβλήτων για την παραγωγή πηγών φυτικών τροφών και κυρίως βιοµάζας. Σε διάφορες χώρες, τα υγρά απόβλητα έχουν χρησιµοποιηθεί σε πολλαπλές περιπτώσεις υδατοκαλλιεργειών. Στις περισσότερες, όµως, περιπτώσεις το κύριο αντικείµενο τέτοιων 88 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη συστηµάτων ήταν η παραγωγή βιοµάζας και η επεξεργασία του υγρού αποβλήτου αποτελούσε επί µέρους ή δευτερεύοντα σκοπό. Η επιτυγχανόµενη µε τέτοια συστήµατα επεξεργασία οφείλεται εξ ολοκλήρου στα βακτήρια που αναπτύσσονται και εγκαθίστανται στα επιπλέοντα υδροχαρή φυτά. Γενικά, ο συνδυασµός της υδατοκαλλιέργειας και της επεξεργασίας του υγρού αποβλήτου, ως µιας ενιαίας λειτουργίας ενός τέτοιου συστήµατος, απαιτεί περαιτέρω έρευνα. Ιδιαίτερα, θα πρέπει να καθορισθεί η επικινδυνότητα για τη δηµόσια υγεία, που µπορεί να οφείλεται στους υδρόβιους οργανισµούς που αναπτύσσονται σε τέτοια συστήµατα (Σωτηροπούλου, 2008). 89 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη 7. ΝΟΜΟΘΕΣΙΑ 7.1 O ΓΕΡΜΑΝΙΚΟΣ ΚΑΝΟΝΙΣΜΟΣ ATV - Α262 ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΛΥΜΑΤΩΝ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟ∆Ο ΤΩΝ ΤΕΧΝΗΤΩΝ ΥΓΡΟΒΙΟΤΟΠΩΝ. Τα συστήµατα αυτά χωρίζονται σε δυο κατηγορίες, υγροβιότοποι επιφανειακής και υγροβιότοποι υπόγειας ροής. Τα πρώτα συστήµατα αποτελούνται από κανάλια µικρού βάθους, γεµάτα µε λύµατα, στα οποία αναπτύσσεται βλάστηση. Ονοµάζονται έτσι, επειδή η επιφάνεια των λυµάτων βρίσκεται σε επαφή µε τον αέρα. Στα συστήµατα υπόγειας ροής τα λύµατα ρέουν σε µια στρώση πορώδους υλικού (άµµος, χαλίκι). Μέσα στη στρώση αυτή βρίσκονται οι ρίζες των φυτών που βοηθούν στον καθαρισµό των λυµάτων. Τα συστήµατα υπόγειας ροής χωρίζονται σε συστήµατα οριζόντιας ροής και συστήµατα κατακόρυφης ροής. Στα πρώτα η ροή των λυµάτων µέσα στο πορώδες υλικό γίνεται περίπου οριζόντια, ενώ στα δεύτερα, η ροή των λυµάτων γίνεται από πάνω προς τα κάτω. Στην Ευρώπη χρησιµοποιούνται κυρίως τα συστήµατα υπόγειας ροής και µάλιστα τα συστήµατα κατακόρυφης ροής αποτελούν την τελευταία εξέλιξη της µεθόδου. Τα αναφερόµενα στον παρόντα γερµανικό κανονισµό αφορούν συστήµατα υπόγειας ροής. Η πρώτη ανεπίσηµη γερµανική οδηγία για την επεξεργασία λυµάτων µε τη µέθοδο των τεχνητών υγροβιότοπων εκδόθηκε το 1982 µε τίτλο «Abwasserbehandlung in Anlagen mit Sumpfpflanzen». Στην οδηγία αυτή ενσωµατώθηκαν οι γνώσεις και η εµπειρία που υπήρχε µέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 80. Στη δεκαετία του 80 εµφανίστηκαν αρκετές µονάδες επεξεργασίας αυτού του τύπου και η τεχνολογία προχώρησε περισσότερο. Έτσι το 1989 δηµοσιεύτηκε η δεύτερη, επίσηµη πλέον, οδηγία (ATV-H 262) µε τίτλο «Behandlung von hauslichen Abwasser in Pflanzenbeeten». Η οδηγία αυτή είχε σηµαντική εφαρµογή στην πράξη και χρησιµοποιήθηκε για την κατασκευή µονάδων επεξεργασίας σε συνδυασµό µε συµπληρωµατικές απαιτήσεις και οδηγίες των οµόσπονδων κρατιδίων. O πρόσφατος κανονισµός (ATV-A 262) δηµοσιεύτηκε το 1998 µε τίτλο «Grundsatze fur Bemessung, Bau und Betrieb von Pflanzenbeeten fur kommunales Abwasser bei Ausbaugrossen bis 1000 Einwohnerwerte» (Βασικές αρχές για τη µελέτη, κατασκευή και λειτουργία τεχνητών υγροτόπων για την επεξεργασία αστικών λυµάτων δυναµικότητας µέχρι 1000 ισοδύναµων κατοίκων). O κανονισµός αυτός έχει λάβει ακόµη περισσότερο επίσηµη µορφή. Έχει µετατραπεί από οδηγία (Hinweis), σε κανονισµό εργασίας (Arbeitsblatt) και έχει ενσωµατώσει όλες τις τελευταίες εξελίξεις στον τοµέα αυτό. Παρακάτω δίνονται τα σηµαντικότερα στοιχεία του κανονισµού: Στεγανοποίηση Οι τεχνητοί υγροβιότοποι πρέπει να στεγανοποιούνται προς όλες τις κατευθύνσεις για την προστασία των υπόγειων νερών. Η απλούστερη µέθοδος στεγανοποίησης είναι η δηµιουργία αδιαπέρατης εδαφικής στρώσης µε πάχος 60 cm και υδροπερατότητα Κ10-8 m/s. Εκτός από την αδιαπέρατη εδαφική στρώση ως στεγανωτικά µπορούν να χρησιµοποιηθούν τα εξής υλικά: 1. Beton και πλαστικά φύλλα 2. Μεµβράνες από πολυαιθυλένιο. Οι µεµβράνες πρέπει να έχουν ελάχιστο πάχος 1 mm, να αντέχουν στη διάτρηση από τις ρίζες των φυτών και να είναι ανθεκτικές στην υπεριώδη ακτινοβολία 3. Στεγανοποίηση του φυσικού εδάφους µε µπετονίτη σε βάθος 60 cm. 90 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Πορώδες µέσο Το υλικό του πορώδους µέσου πρέπει να αποτελείται από άµµο ή χαλίκι ή άλλο παρόµοιο υλικό µε στρογγυλεµένες ακµές. ∆εν επιτρέπεται η χρήση υλικού µε οξείες ακµές για την αποφυγή διάτρησης της µεµβράνης στεγανοποίησης. Τα χαρακτηριστικά του υλικού είναι τα εξής: • Η υδροπερατότητα πρέπει να κυµαίνεται µεταξύ 10-4 και 10-3 m/s • O συντελεστής οµοιοµορφίας των κόκκων πρέπει να είναι U=d60/d10Κ5 • Το ενεργό µέγεθος των κόκκων πρέπει να είναι d10Κ0.2 mm Τα παραπάνω χαρακτηριστικά της κοκκοµετρίας θα πρέπει να ελέγχονται εργαστηριακά πριν από την κατασκευή και το υλικό δεν πρέπει να συµπυκνώνεται. Το πάχος της στρώσης πρέπει να είναι Κ 50 cm, για συστήµατα οριζόντιας ροής και για συστήµατα κατακόρυφης ροής Κ 80 cm. Το ελάχιστο πάχος της στρώσης για τα συστήµατα οριζόντιας ροής καθορίζεται από το βάθος ενστάλαξης, από το βάθος του ριζώµατος των φυτών και από τις συνθήκες λειτουργίας κατά τη χειµερινή περίοδο. ∆εν είναι απαραίτητη η κατασκευή της κλίνης σε διαβαθµισµένες στρώσεις. Απαιτούµενη επιφάνεια υγροβιότοπου Για συστήµατα οριζόντιας ροής Κ 5 m2 / κάτοικο. Ελάχιστη επιφάνεια 20 m2. Για συστήµατα κατακόρυφης ροής Κ 2.5 m2 / κάτοικο. Ελάχιστη επιφάνεια 10 m2. Η συνιστώµενη επιφανειακή υδραυλική φόρτιση είναι η εξής: • Για συστήµατα οριζόντια ροής 40 1/( m2.d) • Για συστήµατα κατακόρυφης ροής 60 1/( m2.d). Οι παραπάνω τιµές απαιτούνται για την αποµάκρυνση του οργανικού φορτίου. Εφ όσον απαιτείται η αποµάκρυνση αζώτου και φωσφόρου, οι τιµές είναι διαφορετικές αλλά δεν δίνονται στον κανονισµό, επειδή δεν υπάρχουν διεθνώς αποδεκτές τιµές. Καλύτερη απόδοση του υγροβιότοπου επιτυγχάνεται µε τη διακεκοµµένη ή εναλλάξ λειτουργία µε στόχο την καλύτερη είσοδο οξυγόνου στο πορώδες µέσο. Άλλες µέθοδοι για τη βελτίωση της απόδοσης είναι η αύξηση τα επιφάνειας του υγροβιότοπου και η επανακυκλοφορία των λυµάτων. Φυτά Τα φυτά που συνήθως χρησιµοποιούνται στους τεχνητούς υγροβιότοπους είναι φυτά των οικογενειών Phragmites, Iris, Typha και Juncus. Ειδικότερα για τα φυτά Phragmites (καλάµια) ισχύουν τα εξής: Τα καλάµια µπορούν να φυτεύονται είτε ως µπάλες είτε ως µεµονωµένες ρίζες. Τα καλάµια σε µπάλες µπορούν να φυτευτούν οποιαδήποτε περίοδο του χρόνου. Καλύτερη περίοδος είναι η άνοιξη. ∆υο µπάλες ανά τετραγωνικό µέτρο είναι αρκετές. Οι µεµονωµένες ρίζες είναι καλύτερο να φυτεύονται από το τέλος Μαΐου µέχρι το τέλος Ιουνίου. 4 µέχρι 6 ρίζες ανά τετραγωνικό µέτρο είναι αρκετές. Για την καλή ανάπτυξη των φυτών πρέπει κατά την αρχική περίοδο µετά τη φύτευση, να επικρατήσουν βέλτιστες συνθήκες ανάπτυξης. Μετά τη φύτευση θα πρέπει να υπάρχει υγρό περιβάλλον όχι όµως συνεχής κατάκλιση µε λύµατα ή νερό. Όταν παρατηρηθεί ανάπτυξη ξένων φυτών, ενδείκνυται η περιοδική κατάκλιση. Τα αστικά λύµατα περιέχουν όλα τα απαραίτητα συστατικά για την ανάπτυξη των φυτών. 91 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη Λειτουργία του υγροβιότοπου Οι τεχνητοί υγροβιότοποι απαιτούν εξειδικευµένες παρατηρήσεις, φροντίδα και συντήρηση. O υπεύθυνος της µονάδας έχει την ευθύνη της λειτουργίας, της συντήρησης των εγκαταστάσεων και της φροντίδας των φυτών. Σε κάθε τεχνητό υγροβιότοπο θα πρέπει να υπάρχει ένα σχέδιο δράσης για την αντιµετώπιση των παρακάτω προβληµάτων κατά τη λειτουργία του: • Θα πρέπει να υπάρχει σχέδιο λειτουργίας (αν θα λειτουργεί συνεχώς, διακεκοµµένα ή εναλλάξ) • Ποιες είναι οι συνέπειες από µια ανεπιθύµητη κατάκλιση µε λύµατα και ποια µέτρα πρέπει να ληφθούν • Πώς θα αντιµετωπιστεί η περίπτωση παρουσίας ξένων φυτών • Σε περιπτώσεις που ο υγροβιότοπος λειτουργεί εποχιακά (κάµπινγκ, ξενοδοχεία, εξοχικές κατοικίες) θα πρέπει να υπάρχει σχέδιο δράσης για τη συντήρησή του εκτός της περιόδου λειτουργίας µε στόχο τη διατήρηση της λειτουργικότητάς του • Ποια µέτρα πρέπει να λαµβάνονται για τη λειτουργία του κατά τη διάρκεια του χειµώνα και σε περιόδους παρατεταµένου παγετού • Θα πρέπει να προβλέπονται µέτρα για τη διαχείριση των φυτών (αν θα κόβονται και πότε, πως θα αντικαθίστανται κ.λπ.). Επειδή η τεχνολογία των τεχνητών υγροβιότοπων είναι σχετικά πρόσφατη, οι κανονισµοί εµπλουτίζονται και αναθεωρούνται γρήγορα. Μια πρώτη αξιολόγηση του τελευταίου κανονισµού έγινε τρία χρόνια αργότερα από την έκδοσή του. Τον Μάιο του 2001 έγινε συγκέντρωση ειδικών από όλη τη Γερµανία µε στόχο την ανταλλαγή εµπειριών από την εφαρµογή του νέου κανονισµού. Τα συµπεράσµατα της συνάντησης ήταν τα εξής: 1.Πολύ συχνά η λειτουργία της εγκατάστασης προεπεξεργασίας δεν είναι ικανοποιητική, µε αποτέλεσµα να υπάρχει σηµαντικός κίνδυνος έµφραξης του πορώδους µέσου του τεχνητού υγροβιότοπου. Οι παριστάµενοι συµφώνησαν ότι για την αποφυγή του προβλήµατος αυτού η επιφάνεια του τεχνητού υγροβιότοπου θα πρέπει να είναι µεγαλύτερη από τις υποδείξεις του κανονισµού. 2.Θα πρέπει να διατυπωθεί καθαρά στον κανονισµό ότι θα πρέπει να εµποδίζεται κατά το δυνατόν η εισροή ξένων νερών στον υγροβιότοπο, ώστε να εξασφαλίζεται η µακροχρόνια και απρόσκοπτη λειτουργία του. 3.Θα πρέπει να επανεξεταστεί ο σχεδιασµός των εγκαταστάσεων προεπεξεργασίας των λυµάτων πριν από την είσοδό τους στον τεχνητό υγρότοπο. 4.Η ελεύθερη απόθεση της παραγόµενης λάσπης κατά το στάδιο της προεπεξεργασίας σε ανοιχτές τάφρους εγκυµονεί κινδύνους µόλυνσης για ανθρώπους και ζώα. Προτείνεται η ελεγµένη απόθεση που αποτρέπει την επαφή µε ανθρώπους και ζώα. 5.Κατά τον υπολογισµό της απαιτούµενης επιφάνειας του υγροβιότοπου εκτός από τον κλασσικό καθορισµό της απαιτούµενης επιφάνειας ανά κάτοικο θα πρέπει να εισαχθεί και ο ρυθµός φόρτισης σε οργανικό φορτίο δηλαδή το BOD5, ανά τετραγωνικό µέτρο ανά ηµέρα (BOD5/m².d). 6.Θα πρέπει να επανεξεταστεί το πάχος του πορώδους µέσου. O κανονισµός θα πρέπει να περιλάβει στοιχεία για το σύστηµα διανοµής των λυµάτων δια µέσου των σωληνώσεων καθώς και υποδείξεις για την αποφυγή της έµφραξης των πόρων της κλίνης από τις ρίζες των φυτών. Θα πρέπει να προστεθεί εδώ ότι η επιλογή της µεθόδου των τεχνητών υγροβιότοπων δεν σηµαίνει αυτόµατα και σωστή επιλογή. Υπάρχει διεθνώς αλλά και στη χώρα µας ένας ενθουσιασµός για την επιλογή της µεθόδου, επειδή πρόκειται για «βιολογικό καθαρισµό οικολογικού τύπου». Τα πράγµατα όµως είναι 92 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη διαφορετικά. Σε πρόσφατη έρευνα που έγινε στο κρατίδιο της Σαξονίας διαπιστώθηκε ότι οι περισσότεροι τεχνητοί υγροβιότοποι παρουσίασαν προβλήµατα στη λειτουργία τους και πολλοί τέθηκαν εκτός λειτουργίας λόγω αστοχίας. Επίσης είναι µύθος ότι οι τεχνητοί υγροβιότοποι δεν έχουν απαιτήσεις συντήρησης και φροντίδας. Σε όλη τη γερµανική βιβλιογραφία τονίζεται ότι απαιτείται εξειδικευµένο προσωπικό για τη λειτουργία και συντήρηση τους. Πρέπει επίσης να τονιστεί ότι η δυνατότητα των υγροβιότοπων για την αποµάκρυνση αζώτου και φωσφόρου είναι περιορισµένη παρά την αντίθετη επικρατούσα άποψη. 7.2 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΚΑΙ ΕΥΡΩΠΑΪΚΗ ΝΟΜΟΘΕΣΙΑ 1. Ν. 1650/1986 (ΦΕΚ Τ. Α΄160/18-10-1986): «ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ» 2. ΕΥΡΩΠΑΪΚΗ Ο∆ΗΓΙΑ 91/271/ΕΟΚ: «ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΤΩΝ ΑΣΤΙΚΩΝ ΛΥΜΑΤΩΝ» 3. ΚΥΑ 5673/400/97 (ΦΕΚ 192/Β/97): «ΜΕΤΡΑ ΚΑΙ ΟΡΟΙ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΤΩΝ ΑΣΤΙΚΩΝ ΛΥΜΑΤΩΝ» 4. ΥΓΕΙΟΝΟΜΙΚΗ ∆ΙΑΤΑΞΗ Ε1Β/221/65 (ΦΕΚ 138/Β/65): «ΠΕΡΙ ∆ΙΑΘΕΣΕΩΣ ΛΥΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ» 5. ΥΓΕΙΟΝΟΜΙΚΗ ∆ΙΑΤΑΞΗ Ε1Β/3161/61 (ΦΕΚ 444/Β/61): «Ο∆ΗΓΙΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Ι∆ΙΩΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ∆ΙΑΘΕΣΕΩΝ ΛΥΜΑΤΩΝ (ΟΙΚΙΑΚΑ ΛΥΜΑΤΑ ΟΙΚΟ∆ΟΜΩΝ ΚΑΤΟΙΚΙΩΝ)» 6. Ν. 3010/2002 (ΦΕΚ Τ. Α΄91/25-04-2002): «ΕΝΑΡΜΟΝΙΣΗ ΤΟΥ Ν.1650/1986 ΜΕ ΤΙΣ Ο∆ΗΓΙΕΣ 97/11 Ε.Ε. ΚΑΙ 96/61 Ε.Ε. ∆ΙΑ∆ΙΚΑΣΙΑ ΟΡΙΟΘΕΤΗΣΗΣ ΚΑΙ ΡΥΘΜΙΣΕΙΣ ΘΕΜΑΤΩΝ ΓΙΑ ΤΑ Υ∆ΑΤΟΡΕΜΑΤΑ ΚΑΙ ΑΛΛΕΣ ∆ΙΑΤΑΞΕΙΣ» 93 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ • Αγγελάκης Α. και Τσαγκαράκης Κ., -Σηµειώσεις Παραδόσεων στο Τµήµα Ενεργειακής & Περιβαλλοντικής Τεχνολογίας, Προγράµµατα Σπουδών Επιλογής, Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυµα Κρήτης, Σελ. 34, 35,103, (Κρήτη 2002). • Αγγελάκης Α. και Tchobanoglous G., -«Υγρά Απόβλητα -Φυσικά Συστήµατα Επεξεργασίας και Ανάκτηση, Επαναχρησιµοποίηση και ∆ιάθεση Εκροών», Πανεπιστηµιακές Εκδόσεις Κρήτης, (Ηράκλειο, 1995). • Ακράτος, Χ.Σ., -«Βελτιστοποίηση Παραµέτρων Σχεδιασµού Τεχνητών Υγροβιότοπων Υπόγειας Ροής µε Χρήση Πιλοτικών Μονάδων», ∆ιδακτορική ∆ιατριβή, Εκδόσεις ∆ηµοκριτείου Πανεπιστηµίου Θράκης, (Θράκη 2006). • Ανδρεαδάκης Α., Κατσίρη Α., Μαµάης ∆., -«Τεχνολογία Αντιµετώπισης Περιβαλλοντικών Επιπτώσεων – Επεξεργασία και ∆ιάθεση Υγρών Αποβλήτων», τ.Α΄, εκδ.Ε.Α.Π. (1999). • Βαρκάς Αργύριος, -«Κατασκευή και λειτουργία συστηµάτων τεχνητών υγροβιότοπων κατακόρυφης ροής πιλοτικής κλίµακας για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων», µεταπτυχιακή διατριβή για το πρόγραµµα µεταπτυχιακών σπουδών του τµήµατος περιβάλλοντος του πανεπιστηµίου Αιγαίου, (Μυτιλήνη 2007). • Βουδούρης Κώστας, σηµειώσεις µαθήµατος «Θέµατα Υδρογεωλογίας Περιβάλλοντος», Κεφ. 8, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης, Τµήµα Γεωλογίας, (Θεσσαλονίκη, 2009) • Ζουραράκη, Ε., -«Σχεδιασµός και Λειτουργία Τεχνητών Υγροβιότοπων Επεξεργασίας Λυµάτων», Μεταπτυχιακή ∆ιατριβή, Εκδόσεις ∆ηµοκριτείου Πανεπιστηµίου Θράκης, (Θράκη 2002). • Καραµούζης Ν. ∆ιαµαντής, -«Φυσικά Συστήµατα Επεξεργασίας Λυµάτων (Τεύχος 1: Τεχνητοί Υγρότοποι)», Εκδόσεις Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης, (2003). • Καραµούζης Ν. ∆ιαµαντής, -«Μικρά αποκεντρωµένα συστήµατα επεξεργασίας λυµάτων», Πρακτικά 1ου Θεµατικού Πεδίου «Υποδοµές», του αναπτυξιακού συνεδρίου του νοµού ∆ράµας, (∆ράµα 2006). • Κεφαλάκης Ν. και Αγγελάκης Α., -«Επεξεργασία Λυµάτων Κοινότητας Πόµπιας σε Τεχνητό Υγροβιότοπο», Πρακτικά ∆ιεθνούς Συνεδρίου Συστήµατα Επεξεργασίας Οικιακών Λυµάτων και Επαναχρησιµοποίησης Εκροών τους για Μικρούς Ο.Τ.Α., (Ηράκλειο Κρήτης 1997). • Μαρκαντωνάτος Γ., -«Επεξεργασία και διάθεση υγρών αποβλήτων», (Αθήνα 1999). 94 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη • Μάρκου, ∆.Α., -«Χρήση Φυσικών Συστηµάτων για την Επεξεργασία και ∆ιαχείριση των Υγρών Αποβλήτων της Πανεπιστηµιούπολης Ξάνθης στα Κιµµέρια», ∆ιπλωµατική Εργασία για το ∆ίπλωµα του Μηχανικού Περιβάλλοντος Εκδόσεις ∆ηµοκριτείου Πανεπιστηµίου Θράκης, (Θράκη 2000). • Ντεντιδάκης, Μ., -«Επεξεργασία Λυµάτων σε Τεχνητούς Υγροβιότοπους», Μεταπτυχιακή ∆ιατριβή, Εκδόσεις ∆ηµοκριτείου Πανεπιστηµίου Θράκης, (Θράκη 2000). • ΟΑΝΑΚ -Μελέτη ∆ιάθεσης Λυµάτων του έργου: «Επεξεργασία υγρών αποβλήτων Κοινότητας Πόµπιας µε φυσικά συστήµατα» (1997). • ΟΑΝΑΚ -Μελέτη ∆ιάθεσης Λυµάτων του έργου: «Εγκατάσταση Επεξεργασίας λυµάτων Επισκοπής -Σγουροκεφαλίου µε φυσικά συστήµατα» (2000). • ΟΑΝΑΚ -Μελέτη Περιβαλλοντικών Επιπτώσεων του έργου: «Επεξεργασία Υγρών Αποβλήτων των οικισµών Ρογδιάς – Παλαιοκάστρου» (2004). • Οικονοµοπούλου Μ. και Τσιχριντζής Β., -«Στοιχεία Υδραυλικού Σχεδιασµού Τεχνητών Υγροβιότοπων Επιφανειακής Ροής», Πρακτικά 8ου Πανελληνίου Συνεδρίου Ε.Υ.Ε., (2000). • Σιαράπη Κ.Κ., Τσαγκαράκης Κ.Π. και Χουλιαρά Μ.Ι., -«Αποτύπωση και Αξιολόγηση Έργων Επεξεργασίας Υγρών Αποβλήτων µε τη Μέθοδο της Υποεπιφανειακής Τροφοδοσίας Λεκανών µε Βλάστηση στην Εύβοια», 5° Εθνικό συνέδριο της Ελληνικής επιτροπής διαχείρισης υδατικών πόρων (ΕΕ∆ΥΠ) «ολοκληρωµένη διαχείριση υδατικών πόρων µε βάση τη λεκάνη απορροής» (Ξάνθη 6-9 Απριλίου 2005). • Στασινάκης Α., -«Σχεδιασµός Μονάδων Επεξεργασίας Υγρών Αποβλήτων», Σηµειώσεις & διαλέξεις µαθήµατος, ΠΜΣ Θεοφράστειο, Πανεπιστήµιο Αιγαίου, Τµήµα Περιβάλλοντος, (Μυτιλήνη 2008). • Σωτηροπούλου Μαρία, -«Φυσικά συστήµατα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων», εργασία για το µάθηµα «∆ιαχείριση οικοσυστηµάτων » του προγράµµατος µεταπτυχιακών σπουδών του τµήµατος περιβάλλοντος του πανεπιστηµίου Αιγαίου, (Μυτιλήνη 2008). • Τσιχριντζής, Β.Α., -«Οικολογική Μηχανική και Τεχνολογία ,Τόµος Ι (∆ιαχείριση Απορροής, Ρύπων και Φερτών) και Τόµος ΙΙ (Φυσικές Μέθοδοι Επεξεργασίας Αποβλήτων - Πρόληψη Ρύπανσης)», Εκδόσεις ∆ηµοκριτείου Πανεπιστηµίου Θράκης, (Θράκη 2000). • Χαιρέτη Όλγα, -«Επεξεργασία αστικών υγρών αποβλήτων µε τεχνητό υγροβιότοπο και δυνατότητες επαναχρησιµοποίησης των εκροών για την εγκατάσταση της Επισκοπής», πτυχιακή εργασία για το τµήµα Ενεργειακής και Περιβαλλοντικής Τεχνολογίας του Τ.Ε.Ι. Κρήτης µεταπτυχιακών σπουδών του τµήµατος περιβάλλοντος του πανεπιστηµίου Αιγαίου, (Ηράκλειο Κρήτης 2005). 95 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη 2. ΞΕΝΟΓΛΩΣΣΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ • Bachand, A.M.P. and Horne, J.A., -«Denitrification in constructed free-water surface wetlands: II. Effects of vegetation and temperature», Ecological Engineering, Vol. 14, (2000). • Brown S.D. and S.C. Reed, -«Inventory of constructed wetlands in the United States. Wetland Systems in Water Pollution Control», H.J. Bavor and D.S. Mitchell Eds., IAWQ, Water Sci. Techn., vol. 29, no. 4. (1994). • Cooper P.F., and Findlater B.C., «Constructed Wetlands in Water Pollution», (Pergamon, Oxford UK, 1990). • Crites R.W, Tchobanoglous G., -«Small and Decentralized Wastewater Management System» McGraw – Hill International Editions, (1998). • Davis Luise for the USDA-Natural Resources Conservation Service and the US Environmental Protection Agency-Region III, -« A Handbook of Constructed Wetlands, a guide to creating wetlands for: agricultural wastewater, domestic wastewater, coal mine drainage, storm water, in the Mid-Atlantic Region», (USA, 1994). • EPA (US), -«Constructed wetlands and aquatic plant systems for municipal wastewater treatment», Design Manual, Environmental Protection Agency, (USA 2002). • Kadlec R., and Knight R., -«Treatment Wetlands», Lewis Publishers, (New York, 1995). • Kadlek Lewis R., and Knight R., -«Treatment Wetlands», CRC Publishers, (1996). • Kapellakis Ι.Ε., Tsagarakis K.P, Angelakis A.N., -9th International Conference on Wetland Systems for Water Pollution Control Avignon (France), (26-30th of September 2004). • Karvelas M, Katsoyiannis A, Samara C., -«Occurrence and fate of heavy metals in the wastewater treatment process», Chemosphere, (2003). • Leverenz H., Tchobanoglous G., Darby J., -«Review of Technologies for the Onsite Treatment of Wastewater in California», Center of Environmental and Water Resources Engineering, Dept. of Civil and Environmental Engineering, Univ. of California, Report No. 0202, (Davis, California, 2002). • Metcalf and Eddy, «Wastewater Engineering: Treatment, Disposal and Reuse, (Third Edition) », McGraw-Hill International Editions, Civil Engineering Series, (1991). • Mungur AS, Shutes RBE, Revitt DM, House MA, An assessment of metal removal from highway runoff by a natural wetland, Water Science and Technology, 32 (3), (1995). 96 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη • Reed S.C., and Crites R.W., -«Handbook of Land Treatment Systems for Industrial and Municipal Wastes», Noyes Publications, Park Ridge, (1984). • Reed S.C., Crites R.W. and Middlebrooks E.J., «Natural Systems for Waste Management and Treatment», McGraw-Hill, Inc., (1988 -1st ed.), (1995 -2nd Ed.). • Tchobanoglous G. and Burton F., «Wastewater Engineering: Treatment, Disposal, Reuse», Metcalf and Eddy, New York: McGraw-Hill, Inc. (1991 -3rd Ed.). • Tsagarakis K.P., -«The Treatment of Municipal Wastewater in Greece», PhD. Thesis, University of Leeds, School of Civil Engineering, (Leeds 1999). • Tsonis, S., Επεξεργασία Λυµάτων, Παπασωτηρίου, (2004). • U.S. Environmental Protection Agency (EPA) -«Design Manual, Constructed Wetlands and Aquatic Plant Systems for Municipal Wastewater Treatment», EPA 625-1-88-022, (1988). • U.S. Environmental Protection Agency (EPA) -«Subsurface Flow Constructed Wetlands for Wastewater Treatment (A Technology Assessment) », EPA 832-R-93008, (July, 1993). 3. ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΑ ΑΡΘΡΑ • Anastasiadis, M., Zdragas, A., Katsavouni, S., Eskridge, K., Takavakoglou, V. And Zalidis, G., -«Municipal Wastewater Disinfection Using a Constructed Wetland», 4th Management Committee Meeting of Cost Action 837, 18-19 May, Larnaca, Cyprus, (2004). • Ayaz, S.C. and Akca, L., -«Treatment of Wastewater by Natural Systems», Environmental International, Vol. 26, pp.189-195. Dialynas, G., Kefalakis, N., Dialynas, M. and Angelakis, A., 2002, “Performance of an Innovative FWS Constructed Wetland in Crete, Greece”, Water Science and Technology, Vol. 46 (45), (2001). • Bendoricchio, G., Cin, L.D. and Persson J., -«Guidelines for Free Water Surface Wetland Design», EcoSys Bd., Vol. 8, (2000). • Haberl, R., Perfeler, R. and Mayer, H., -«Constructed Wetlands in Europe», Water Science and Technology, Vol. 32, (1995). • Hammer, D.A., «Designing constructed wetlands systems to treat agricultural nonpoint source pollution», Ecological Engineering, Vol. 1, (1989). • Knight R.L., -«Ancillary Benefits and Potential Problems with the Use of Wetlands for Nonpoint Source Pollution Control», Ecological Engineering, Vol.1, (1992). 97 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη • Kadlec R.H -«Constructed Wetlands for Treating Landfill Leachate», In: Mulamoottil G., McBean E.A. and Rovers F. (Eds), Constructed Wetlands for the Treatment of Landfill Leachates, Lewis Publishers, Boca Raton, FL., (1999). • Mæhlum T., Jenssen P.D. and Warner W.S., -«Cold-climate Constructed Wetlands», Water Science Technology, Vol. 32 (3), (1995). • Mitsch, W.J., -«Landscape Design and the Role of Created, Restored, and Natural Riparian Wetlands in Controlling Nonpoint Source Pollution», Ecological Engineering, Vol. 1, (1992). • Ottovà V., Balcarovà J., and Vymazal J., -«Microbial Characteristics of Constructed Wetlands», Water Science and Technology, Vol. 35 (5), (1997). • Prescott, K.L. and Tsanis, I.K., -«Mass balance modeling and wetland restoration», Ecological Engineering, Vol. 9, pp. 1-18. Langergraber, G., Haberl, R., Laber, J. and Pressl, A., 2003, “Evaluation of Substrate Clogging Processes in Vertical Flow Constructed Wetlands”, Water Science Technology, Vol. 48 (5), (1997). • Rousseau, D.P.L., Vanrolleghem, P.A. and Pauw, N.D., -«Constructed Wetlands in Flanders: A Performance Analysis», Ecological Engineering, Vol. 23 (3), (2004). • Walton W.E., -«Managing Mosquitoes in Surface-Flow Constructed Treatment Wetlands, Division of Agriculture and Natural Resources», University of California, Riverside (2003). 4. ∆ΙΚΤΥΑΚΟΙ ΤΟΠΟΙ images.google.gr www.fujitaresearch.com www.gardensandplants.com www.livepedia.gr www.ornithologiki.gr www.ramsar.org www.tsamisaquarium.gr www.tu-berlin.de www.uvm.edu www.umt.edu/chemistry/wetlands/data.htm www.wastreat.gr www.wikipedia.org 98 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΑ 1. ΣΥΝΤΟΜΟΓΡΑΦΙΕΣ BOD5: Biochemical Oxygen Demand–BOD5, 20ºC (Βιοχηµικά Απαιτούµενο Οξυγόνο, 5 ηµερών, σε 20ºC) COD: Chemical Oxygen Demand (Χηµικά Απαιτούµενο Οξυγόνο) FWS: Free Water Surface Systems (Συστήµατα Υγροβιότοπων Ελεύθερης Επιφάνειας ή Επιφανειακής Ροής) FC ή Faecal coli: Faecal Coliforms (Κοπρανώδη Κολοβακτηρίδια) NaOCl: Υποχλωριώδες Νάτριο + ΝΗ 4-Ν: Αµµωνιακά NO3-N: Νιτρικά SFS: Subsurface Flow Systems (Συστήµατα Υγροβιότοπων Υπόγειας Ροής) SS: Suspended Solids (Αιωρούµενα Στερεά) ΤΚΝ: Ολικό άζωτο κατά Kendal ΤΝ: Ολικό Άζωτο TC: Total Coliforms (Ολικά Κολοβακτηρίδια) TP: Total Prosphorus (Ολικός Φώσφορος) TS: Total Solids (Ολικά Στερεά) Ι.κ.: Ισοδύναµοι κάτοικοι ΜΕΑΛ: Μονάδα Επεξεργασίας Αστικών Λυµάτων ΤΥ: Τεχνητός Υγροβιότοπος 2. ΛΙΣΤΑ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα 1.1 Υγροβιότοπος Εικόνα 1.2 Έξοδος τελευταίας κλίνης στον τεχνητό υγροβιότοπο Πόµπιας ∆. Μοιρών Εικόνες 3.1 και 3.2 Ψαθί (Typha spp.) Εικόνες 3.3 και 3.4 Σήφη (Scirpus spp.) Εικόνες 3.5 και 3.6 Καλάµι (Phragmites spp.) Εικόνες 3.7 και 3.8 Βούρλο (Juncus spp.) Εικόνες 3.9 και 3.10 Σπαθόχορτο (Carex spp.) Εικόνα 3.11 Λήµνα (Lemna spp.) Εικόνα 3.12 Νούφαρο (Nuphar spp.) Εικόνα 3.13 Υδροχαρείς υάκινθοι (Eicchornea crassipes) Εικόνα 4.1 Phragmites australis Εικόνα 4.2 Όψη τεχνητού υγροβιότοπου Επισκοπής πριν από τη φύτευση Εικόνα 4.3 Όψη του φρεατίου εισόδου και τµήµατος της σηπτικής δεξαµενής (ΜΕΑΛ Επισκοπής) Εικόνα 4.4 Όψη σηπτικής δεξαµενής (ΜΕΑΛ Επισκοπής) Εικόνα 4.5 Όψη της σηπτικής δεξαµενής και τµήµατος του βιολογικού αµµοφίλτρου (ΜΕΑΛ Επισκοπής) Εικόνα 4.6 Φίλτρα εκροής σηπτικών δεξαµενών (ΜΕΑΛ Επισκοπής) Εικόνα 4.7 Μονάδα εξουδετέρωσης οσµαερίων (ΜΕΑΛ Επισκοπής) Εικόνα 4.8 Αντλίες τροφοδοσίας βιολογικού αµµόφιλτρου (ΜΕΑΛ Επισκοπής) Εικόνα 4.9 Όψη βιολογικού αµµοφίλτρου (ΜΕΑΛ Επισκοπής) Εικόνα 4.10 Φρεάτιο τροφοδοσίας και τµήµα λεκάνης τεχνητού υγροβιότοπου (ΜΕΑΛ Επισκοπής) Εικόνα 4.11 ∆εξαµενή χλωρίωσης µαιανδρικής ροής (ΜΕΑΛ Επισκοπής) Εικόνα 4.12 ∆εξαµενή αποθήκευσης εκροής (ΜΕΑΛ Επισκοπής) Εικόνα 4.13 Κτίριο ∆ιοίκησης (ΜΕΑΛ Επισκοπής) 9 21 38 39 40 40 40 41 42 42 52 53 56 58 58 61 61 63 64 64 67 68 68 99 Συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων Σωτηροπούλου Αγαθονίκη 3. ΛΙΣΤΑ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 2.1 Στοιχεία σχεδιασµού τεχνητών υγροτόπων (Καραµούζης, 2006) 29 Πίνακας 4.1 Τυπικά κριτήρια σχεδιασµού και προσδοκώµενα ποιοτικά χαρακτηριστικά εκροής σε συστήµατα τεχνητών υγροβιότοπων 46 Πίνακας 4.2 Κριτήρια σχεδιασµού υγροβιότοπων (Αγγελάκης και Τσαγκαράκης, 2002) 50 Πίνακας 4.3 Συνοπτική παρουσίαση βασικών µηχανισµών αποµάκρυνσης και µετατροπής στοιχείων των υγρών αποβλήτων σε τεχνητούς υγροβιότοπους 50 Πίνακας 4.4 Συνήθης αποµάκρυνση φορτίων από σηπτικές δεξαµενές 59 Πίνακας 4.5 Ποιότητα εκροής 64 Πίνακας 5.1 Μηχανισµοί επεξεργασίας στους τεχνητούς υγροβιότοπους (Tchobanoglou, 1997) 73 4. ΛΙΣΤΑ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήµα 1.1 Σχήµα 1.2 Σχήµα 1.3 Σχήµα 1.4 Σχήµα 1.5 Σχήµα 1.6 Σχήµα 1.7 Σχήµα 1.8 Σχήµα 3.1 Σχήµα 4.1 Σχήµα 4.2 Σχήµα 4.3 Σχήµα 4.4 Σχήµα 4.5 Σχήµα 4.6 Σχήµα 4.7 Σχήµα 4.8 Σχήµα 5.1 Σχήµα 5.2 Τεχνητός υγροβιότοπος επιφανειακής ροής Σύστηµα υγροβιότοπου FWS Τεχνητός υγροβιότοπος υπόγειας -οριζόντιας ροής Σχηµατική παρουσίαση συστηµάτων επιφανειακής ροής (FWS) Σχηµατική παρουσίαση συστηµάτων υπόγειας ροής (SFS) Τεχνητός υγροβιότοπος υπόγειας -κατακόρυφης ροής Τυπική τοµή υγροβιότοπου υπόγειας -οριζόντιας ροής ∆ιάγραµµα ροής της ΜΕΑΛ Κοινότητας Πόµπιας Σχηµατική απεικόνιση συστήµατος υδροχαρών φυτών Ενδεικτική τοµή εισόδου λυµάτων σε ΤΥ επιφανειακής ροής Ενδεικτική τοµή διαδρόµου ΤΥ επιφανειακής ροής Ενδεικτική τοµή στο τέλος της λεκάνης ΤΥ επιφανειακής ροής Τυπική τοµή διθάλαµης σηπτικής δεξαµενής Απαιτούµενος χρόνος για χώνευση 90% της πρωτοβάθµιας λάσπης Τυπική όψη διθάλαµης σηπτικής δεξαµενής Σχηµατική τοµή βιοφίλτρου και λεπτοµέρειες κόκκων Σχηµατικό διάγραµµα βιόφιλτρου µε καταιονισµό Περιγραφή µηχανισµών επαναιώρησης Περιγραφή µηχανισµών αποµάκρυνσης αζώτου 12 12 12 15 16 18 18 22 43 51 51 51 57 60 60 62 62 76 79 100