1. ARISTOTLE UNIVERSITY OF THESSALONIKI Dept. of Civil Engineering Division of Hydraulics & Environmental Engineering Laboratory of Environmental Engineering & Planning Efthymios Darakas Associate Professor

2. Water – Wastewater Treatment Processes (Course description) Water quality characteristics. Environmental pollution and contamination. Water treatment. Physical, chemical, biological treatment processes: filtration, sedimentation, flotation, flocculation, chemical oxidation, precipitation, adsorption, ion exchange, softening, desalination, membrane filtration, reverse osmosis, disinfection. Industrial wastewater quality characteristics. Effect of high organic load on sewerage and natural recipients. 2

3. Teaching Lectures (3 hours / week) Excursions – Visit to a water treatment plant Interactive environment (Blackboard) Literature: – Metcalf & Eddy, Inc., “Wastewater Engineering, Treatment and Reuse” 4 th edition, Revised by George Tchobanoglous, Franklin L. Burton, H. Daviv Stensel. – Efthymios Darakas, “Water treatment processes” 3

4. 4

5. 5 Pollution and contamination of water

6. 6 Pictures from the … future?

7. 7

8. 8 Eutrophication

9. 9 Herbicides Chlorinated hydrocarbons - ΤΗΜ Dioxins PesticidesPCB's Radioactive elements Phenols- Chlorophenols InsecticidesPHA's Some examples of toxic organic compounds

10. Urban wastewater Impact on natural waters 10 Organic matter COD, Chemical Oxygen Demand BOD 5, Biochemical Oxygen Demand Organic matter COD, Chemical Oxygen Demand BOD 5, Biochemical Oxygen Demand Metals: Hg, Cd, Pb, Cr, Cu, Co, etc. Pathogenic (microorganisms) Particles: TSS, TDS, TS Nutrients Nitrogen(Ν) Phosphorous (Ρ) Nutrients Nitrogen(Ν) Phosphorous (Ρ) Contamination Natural receiver Pollution Natural receiver

11. 11 H Basic chemical elements and Organic compounds CONSP Hydrocarbons Carbohydrates & Fats Amino acids & Proteins Amino acids & S-Proteins Nucleic acids, RNA, DNA More over Fe Cu Ca Mg … …

12. 12 Carbon in wastewater TC Total Carbon TIC Total Inorganic Carbon TOC Total Organic Carbon DOC Dissolved Organic Carbon POC Particulate Organic Carbon VOC Volatile Organic Carbon

13. Total Nitrogen (ΤΝ) Inorganic (ΤΙΝ) Nitrates (ΝΟ3 -) Nitrites (ΝΟ2 -) Ammonia Gaseous form (ΝΗ3) Ionic form (ΝΗ4 +) Organic Urea (ΝΗ2CONH2) Proteins Kjeldahl (ΤΚΝ) Ammonia + Organic 13 Nitrogen in wastewater

14. Herbicides, Insecticides, Fertilizers 14

15. Wastewater treatment – (Why ?) 15 1.Organic load 2.Suspend solids 3.Nutrients (Ν, Ρ) 4.Pathogenic microorganisms 5.Other pollutants 1.Organic load 2.Suspend solids 3.Nutrients (Ν, Ρ) 4.Pathogenic microorganisms 5.Other pollutants WWTP (Retention, neutralization of the pollutants) WWTP (Retention, neutralization of the pollutants) Effluent Clean water Effluent Clean water Wastewater The goal

16. Wastewater Treatment – The goal 16 Organic load (matter) Suspended and dissolved solids Nutrients (Ν, P) Pathogenic microorganisms Other pollutants

17. Organic characteristics BOD (Biochemical Oxygen Demand) COD (Chemical Oxygen Demand) TOC (Total Organic Carbon) 17

18. 18 ΒΟD 5 : Biochemical Oxygen Demand BOD - Measurement : Darkness Stirring Temperature : 20 o C BOD - Measurement : Darkness Stirring Temperature : 20 o C Oxitop R

19. Aerobic – anaerobic biological treatment of wastewater 19 WASTEWATER: Organic compounds Nutrients (Ν, Ρ) Microorganisms Oxygen (Ο 2 ) Oxygen (Ο 2 ) New cell mass CO 2 H2OH2O H2OH2O H 2 O, NH 3, H 2 S, H 2 CH 4 New cell mass CO 2 Οξυγόνο (Ο 2 ) Aerobic Anaerobic WASTEWATER: Organic compounds Nutrients (Ν, Ρ) Microorganisms

20. 20 Microorganisms: Autotrophic Heterotrophic Decomposers Microorganisms: Autotrophic Heterotrophic Decomposers

21. Total Coliforms Fecal Coliforms Thermotolerant Coliforms E. Coli Pathogenic E. Coli Enterococci Salmonella Shigella Indicators

22. 22 The membrane filter technique

23. WATER TREATMENT 23

24. 24 Water and wastewater treatment methods Physical – chemical Coagulation and flocculationChemical precipitation Chemical oxidationOxidation with liquid air DryingStripping Filtration Membranes (Microfiltration, Ultrafiltration, Reverse Osmosis) Photocatalytic oxidation

25. 25 Determination of water quality Regulation of the pH (H2SO4) Disinfection (Cl2, UV, O3) StorageConsumption Ground water treatment Surface water treatment Determination of water quality Regulation of the pH (H2SO4) Reduction of SS Turbidity Odor Contaminants Disinfection (Cl2, UV, O3) StorageConsumption

26. 26 + Advanced treatment (Adsorption, Ion exchange, Reverse Osmosis) + Advanced treatment (Adsorption, Ion exchange, Reverse Osmosis) Surface water treatment

27. 27 Water treatment (Flow diagram) Cl 2 (g) Storage Network / Consumption GAC Ο3Ο3 Sand beds Coagulation / Flocculation Sludge ThickeningDewatering pH Adjustment Ca(OH) 2 Ο 3 Pro-ozonation pH Adjustment H 2 SO 4 Alum Al 2 (SO 4 ) 3 Influent Poly-electrolytes (1-2 min) (3 min)

28. 28 Thessaloniki Water Treatment Plant

29. 29 Surface water treatment

30. 30 Surface water treatment

31. 31 Surface water treatment

32. 32 Sedimentation tanks

33. 33 Precipitation - Sedimentation  Change the pH (increase or decrease),  Add the appropriate reagents,  Change the oxidation number of the elements to be converted to precipitate.

34. Chemical Oxidation Non-biodegradable substances in water (Inorganic: Mn 2+, Fe 2+, S 2-, SO3 2-, CN - ) (Organic: Phenols, Amines, Humic acids, Other compounds leading to unpleasant odors color etc.) Oxidants (Cl2, ClO2, O 3, KMnO4, K2Cr 2 O7, H2O 2 ) Less hazardous substances or better ”biodegradable" 34 Conversion of undesirable compounds to compounds, which disturb less or not at all. To improve the water quality.

35. 35 Precipitation of: Fe 2+, Fe 3+, Cu 2+, Zn 2+, Cr 3+. Common Reagents: Hydroxides (ΟΗ - ) Sulfides (S 2- ) and in some cases Carbonates (CO 3 2- ). Products: Insoluble salts (precipitates). Precipitation of: Fe 2+, Fe 3+, Cu 2+, Zn 2+, Cr 3+. Common Reagents: Hydroxides (ΟΗ - ) Sulfides (S 2- ) and in some cases Carbonates (CO 3 2- ). Products: Insoluble salts (precipitates). Chemical precipitation

36. 36 Surface water treatment

37. 37 Sandfilter

38. 38 Sand beds

39. 39 Adsorption on activated carbon Thessaloniki water treatment plant

40. 40 Ion exchange

41. 41 In Out

42. Neutralization ΜέθοδοςΕίναι χημική μέθοδος επεξεργασίας αποβλήτων που σκοπό έχει την ομαλοποίηση (ρύθμιση) του pH για την ομαλή λειτουργία του βιολογικού καθαρισμού. Παράλληλα επιτυγχάνεται και αφαίρεση βαρέων μετάλλων τα οποία καταβυθίζονται ως αδιάλυτα υδροξείδια. Χημικές ουσίες που χρησιμοποιούνται για την εξουδετέρωση αλκαλικών αποβλήτων Η 2 CO 3 HCl H 2 SO 4 Χημικές ουσίες που χρησιμοποιούνται για την εξουδετέρωση όξινων αποβλήτων CaCO 3, Ca(OH) 2 CaO, MgO NaOH, Na 2 CO 3 NaHCO 3, Mg(OH) 2 42

43. Κροκίδωση Μέθοδος:Προσθήκη κροκιδωτικών αντιδραστηρίων, Ταχεία μείξη, Παραμονή σε δεξαμενή ηρεμίας για τον διαχωρισμό των φάσεων. Εφαρμογή:Χρησιμοποιείται πριν ή μετά από άλλες μεθόδους. Η χρήση της αυξάνει την απόδοση συστημάτων που περιλαμβάνουν ιζηματοποίηση ή διήθηση. Επιτυγχάνεται με:Ανόργανους ηλεκτρολύτες Οργανικά πολυμερή Συνθετικά πολυμερή Αποτέλεσμα:Μείωση SS, βαρέων μετάλλων, θολότητας, χρώματος, οργανικού φορτίου. 43

44. Χημική καθίζηση Μέθοδος: Χρησιμοποιείται για την καταβύθιση και αφαίρεση μεταλλικών ενώσεων από τα διαλύματά τους. Αντιδραστήρια: Υδροξείδια (συνήθως CaOH 2 ) Σουλφίδια (S 2- ) Διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) Αργίλιο (Al) Αποτέλεσμα: Αφαίρεση As, Sb, Cr, Cu, Pb, Hg, Ni, Zn (με υδροξείδια), Αφαίρεση μεταλλικών ιόντων Pb, Hg, Ag (με σουλφίδια), Αφαίρεση Sb, Pb (με CO 2 ), Αφαίρεση As, Cd (με Al) Παρατηρήσεις: Το πιο φτηνό υλικό που χρησιμοποιείται είναι ο ασβέστης. 44

45. Χημική οξείδωση Μέθοδος: Διεργασία μετατροπής των ανεπιθύμητων ενώσεων σε ενώσεις που ενοχλούν λιγότερο ή και καθόλου με στόχο τη βελτίωση της ποιότητας των υγρών αποβλήτων. Ανόργανες ουσίες που επιδέχονται χημική οξείδωση: Μn 2+ Fe 2+ S 2- CN - SO 3 2- Οργανικές ουσίες που επιδέχονται χημική οξείδωση: Φαινόλες Αμίνες Χουμικά οξέα Άλλες ενώσεις που προκαλούν: Οσμές Γεύσεις Χρώμα κ.λ.π. 45

46. Χημική οξείδωση Μέθοδος: Χρήση οξειδωτικών σε δεξαμενές πλήρους μίξης. Αντιδραστήρια: Υπεροξείδιο του υδρογόνου Η 2 Ο 2 Υποχλωριώδες νάτριο NaOCl Υπερμαγγανικό κάλιο KMnO 4 Διοξείδιο του χλωρίου ClO 2 Όζον O 3 Αποτέλεσμα: Μείωση του COD, καταστροφή & απομάκρυνση των SO 3 2-, SO 4 2-, CN -, HCHO, φ-ΟΗ. Μείωση των βακτηριδίων και άλλων παθογόνων μικροοργανισμών (με την απολύμανση). Παρατηρήσεις: Η χημική οξείδωση μπορεί να είναι συνεχής ή μη συνεχής διεργασία. Η απόδοση εξαρτάται από το είδος του προς απομάκρυνση ρύπου αλλά και από το είδος του χρησιμοποιούμενου οξειδωτικού. 46

47. Οξείδωση με υγρό αέρα 47

48. Οξείδωση με απογύμνωση (stripping) Μέθοδος: Η απογύμνωση ατμού είναι μια φυσική διαδικασία διαχωρισμού, όπου ένα ή περισσότερα συστατικά ενός υγρού απομακρύνονται με τη βοήθεια ενός ρεύματος ατμού. Απομακρύνονται οι πτητικές ουσίες και ταυτόχρονα ελέγχονται οι παράμετροι εξάτμισης. Τεχνολογία: Πραγματοποιείται εκτεταμένος αερισμός σε λίμνες ή πύργους με αντιρροή αέρα (stripers). Σε βιομηχανικές εφαρμογές τα ρεύματα υγρού – ατμού μπορούν να έχουν την ίδια ή αντίθετη ροή. Αποτέλεσμα: Απομάκρυνση πτητικών οργανικών ενώσεων (VOC, Volatile Organic Compounds και αμμωνία (NH 3 ). Παρατηρήσεις: Υπάρχουν περιβαλλοντικές επιπτώσεις από την απελευθέρωση της αμμωνίας στην ατμόσφαιρα (οσμές). 48

49. Διήθηση Μέθοδος: Χρησιμοποιούνται αμμόφιλτρα, γη διατόμων, φίλτρα πολλαπλών στρωμάτων για τη διήθηση των αποβλήτων Τεχνολογία: Πραγματοποιείται διήθηση των αποβλήτων με τη βοήθεια σταθερού ή μετακινούμενου στρώματος άμμου, γης διατόμων σε λεπτή στρώση πάνω σε κόσκινο, σύνθετο κοκκώδες στρώμα. Αποτέλεσμα: Διαχωρισμός σωματιδίων από την ρευστή φάση και αποχρωματισμός των αποβλήτων. Παρατηρήσεις: Υπάρχουν συστήματα πίεσης και βαρύτητας. Η διήθηση χρησιμοποιείται για την συμπληρωματική αφαίρεση των εναπομεινάντων αιωρουμένων στερεών μετά από χημική ή βιολογική επεξεργασία. 49

50. Εφαρμογές διεργασιών διήθησης 50 Διεργασία Μέθοδος – Τεχνολογία – Αποτέλεσμα – Παρατηρήσεις Μικροδιήθηση Πορώδες μεμβρανών 0,2 – 5,0 μm. - Πίεση λειτουργίας < 2 bar. Επιτυγχάνεται κατακράτηση σωματιδίων σχετικά μεγάλης διαμέτρου. Υψηλό κόστος και απαιτήσεις συντήρησης. Υπερδιήθηση Πορώδες μεμβρανών 0,02 – 0,2 μm. - Πίεση λειτουργίας 1 - 10 bar. Επιτυγχάνεται κατακράτηση γαλακτωμάτων και αιωρουμένων στερεών από λίπη και έλαια, μεγάλων οργανικών μορίων και σύμπλοκα βαρέων μετάλλων. Υψηλό κόστος και απαιτήσεις συντήρησης. Αντίστροφη ώσμωση Πορώδες μεμβρανών < 0,02 μm. - Πίεση λειτουργίας 15 - 150 bar. Αφαίρεση αιωρουμένων και κολλοειδών σωματιδίων, αμμωνιακού αζώτου, βαρέων μετάλλων και των περισσοτέρων διαλυμένων στερεών. Σημαντική είναι η μείωση του BOD και του COD. Υψηλό κόστος και απαιτήσεις συντήρησης. Συνιστάται σε περιπτώσεις υψηλού µη βιοαποικοδοµήσιµου (κυρίως ανόργανου) φορτίου και χαμηλής υδραυλικής παροχής. Το συμπυκνωμένο απόβλητο, μπορεί να ανακυκλωθεί.

51. Χαρακτηριστικά διεργασιών διήθησης 51 ΔιεργασίαΚινητήρια δύναμη ΚατακράτησηΔιήθημα ΜικροδιήθησηΠίεσηΑιωρούμενα σωματίδια Διαλυμένα συστατικά ΥπερδιήθησηΠίεσηΜεγάλα μόριαΜικρά μόρια ΝανοδιήθησηΠίεσηΜικρά μόρια Διαλυμένα δισθενή ιόντα Μονοσθενή ιόντα Αδιάστατα οξέα Αντίστροφη ώσμωση ΠίεσηΌλα τα διαλυμένα συστατικά Νερό