Τα τελευταία χρόνια, τόσο σε παγκόσμιο επίπεδο αλλά κυρίως σε Ευρωπαϊκό, παρατηρείται μια προσπάθεια για θέσπιση διαρκώς αυστηρότερων νόμων και διατάξεων που αφορούν την πολιτική περιβάλλοντος, αντικατοπτρίζοντας την αυξημένη οικολογική συνείδηση του συνόλου των πολιτών. Παράλληλα, αναζητούνται μέθοδοι και τεχνικές προκειμένου σε όλους τους τομείς δραστηριότητας των ανθρώπων να επιτυγχάνεται περιορισμός της ρύπανσης. Μέσα σε αυτό το γενικότερο πλαίσιο διαχείρισης, ιδιαίτερη σημασία έχουν τα έργα αποχέτευσης και επεξεργασίας αποβλήτων, που ως σκοπό έχουν την όσο το δυνατόν γρηγορότερη και οικονομικότερη απομάκρυνση των ακάθαρτων και βλαβερών για το περιβάλλον νερών (απόβλητα), καθώς και την κατάλληλη επεξεργασία (καθαρισμό τους), ώστε να διατεθούν ακίνδυνα στο περιβάλλον (Αραβώσης et al, 2003). Σκοποί της διαδικασίας επεξεργασίας λυμάτων είναι η απομάκρυνση των αιωρούμενων σωματίων, της οργανικής ύλης, των μικροβιακών οργανισμών και της τροφικής τους αλυσίδας, αφήνοντας τα υγρά που απομένουν κατάλληλα για απορρόφηση από το έδαφος ή τη διάθεσή τους σε ποτάμια ή στη θάλασσα. Οι τρεις βασικές στάθμες της διαδικασίας επεξεργασίας λυμάτων χαρακτηρίζονται ως πρωτοβάθμια, δευτεροβάθμια και τριτοβάθμια. Κατά την πρωτοβάθμια επεξεργασία πρέπει να απομακρύνονται περίπου τα δυο τρίτα των αιωρούμενων σωματίων και το ένα τρίτο της οργανικής ύλης. Στη δευτεροβάθμια επεξεργασία σε δοχεία ή επιφάνειες αερισμού γίνεται αποδόμηση των μικροοργανισμών που μεταλλάσσονται σε οργανική ύλη. Στο πέρας της χρησιμοποιείται πολλές φορές χλώριο ή ενώσεις του για την απομάκρυνση των επιβλαβών μικροβίων. Αυτή είναι η τριτοβάθμια επεξεργασία, που απαιτείται μόνο όταν πρέπει τα επεξεργασμένα λύματα να χυθούν σε περιβαλλοντολογικά ευαίσθητη υγρή όδευση, οπότε απομακρύνονται οι θρεπτικές ουσίες, όπως αζωτούχες και φωσφορούχες ενώσεις που διευκολύνουν την ανάπτυξη βακτηρίων, μικροβιακών ή άλλων οργανισμών. Πρέπει να τονιστεί ότι οι τρεις αυτές διαδικασίες δεν είναι ποτέ πλήρως διαχωρισμένες και γενικά εξαρτώνται από το σύστημα επεξεργασίας λυμάτων και τις απαιτήσεις αποδόμησής τους. Οι υποχρεώσεις των μηχανικών, των ιδιοκτητών και των ενοίκων που ισχύουν για τις κεντρικές αποχετεύσεις κτιρίων ή οικισμών περιλαμβάνονται σε σχετική Υγειονομική Διάταξη (Aπ. E1β/221 της 22.1/ 24.2.1965 ΦEK 138B) ή αναφέρονται στο Γ.O.K., στον Kτιριοδομικό Kανονισμό και στην T.O.T.E.E. 2412/ 86. Προϋπόθεση για την κατασκευή ιδιωτικού συστήματος συλλογής, επεξεργασίας και διάθεσης των υγρών αποβλήτων είναι η έκδοση άδειας από την αρμόδια αρχή. H προστασία του περιβάλλοντος, του υπόγειου υδροφόρου ορίζοντα και των θαλασσών επιβάλλει την αποφυγή διάθεσης λυμάτων κατά τρόπο που να προξενεί μόλυνση στο υδατικό απόθεμα της γης. Είναι έτσι αναγκαίο σε κάθε περίπτωση που δεν έχει εξασφαλιστεί κεντρικό δίκτυο αποχέτευσης να λαμβάνονται μέτρα διάθεσης των λυμάτων με κατασκευές που γίνονται με δαπάνη των κατασκευαστών των κτιρίων ή των οικισμών ώστε να εξασφαλίζεται διάθεση των λυμάτων κατά τρόπο που να μην επηρεάζεται δυσμενώς το περιβάλλον. Η νομοθεσία η σχετική με τη διάθεση των λυμάτων κτιρίων σε περιοχές χωρίς κεντρικό δίκτυο αποχέτευσης επιβάλλει την υποβολή μελέτης επεξεργασίας και διάθεσής τους (Τσίγκας, 2003) Τα τελευταία χρόνια, προκειμένου να ελεγχθεί η ρύπανση και να αποφευχθεί η περαιτέρω υποβάθμιση των υδατικών πόρων του πλανήτη, έχουν θεσπιστεί ειδικές νομοθετικές διατάξεις, που αφορούν στη βιολογική διεργασία των υγρών αποβλήτων πριν αυτά διατεθούν στους υδάτινους αποδέκτες. Έτσι η βιολογική απομάκρυνση τόσο του οργανικού φορτίου όσο και των θρεπτικών συστατικών (κυρίως αζώτου και φωσφόρου) έχει καταστεί πλέον επιτακτική. Οι διεργασίες βιολογικής απομάκρυνσης του αζώτου μέσω της νιτροποίησης και της απονιτροποίησης βρίσκουν σήμερα ευρεία εφαρμογή στην επεξεργασία τόσο των αστικών και των βιομηχανικών υγρών αποβλήτων όσο και στην προεπεξεργασία του πόσιμου νερού. Η νιτροποίηση (βιολογική οξείδωση της αμμωνίας) υλοποιείται από δύο διαφορετικές κατηγορίες αυτότροφων βακτηριών. Η πρώτη ομάδα (νιτρωδοποιητές) μετατρέπει την αμμωνία (NH+4 ) σε νιτρώδη(NO−2 ) και στη συνέχεια η δεύτερη ομάδα, οι νιτρικοποιητές, οξειδώνει περαιτέρω το ενδιάμεσο προϊόν (νιτρώδη) σε νιτρικά (NO − 3 ). Η απονιτροποίηση είναι η βιολογική διεργασία, η οποία ευθύνεται για την απομάκρυνση του αζώτου με τη μορφή τωννιτρικών και/ή νιτρωδών από τα απόβλητα μέσω της μετατροπής τους σε αέριο άζωτο. Τα τελευταία χρόνια, γίνεται σημαντική ερευνητική προσπάθεια για να παρακαμφθεί το στάδιο της νιτρικοποίησης. Είναι επιθυμητό η αμμωνία να οξειδώνεται σε νιτρώδη και μετά απευθείας να λαμβάνει χώρα η απονιτροποίηση, παρά να γίνεται πρώτα η μετατροπή σε νιτρικά στα συστήματα απομάκρυνσης αζώτου. Θεωρητικά εξοικονομείται περίπου 25% σε δέκτη ηλεκτρονίων (οξυγόνο) και 40% σε δότη ηλεκτρονίων, ενώ επίσης ο ρυθμός απονιτροποίησης αυξάνεται κατά 63% με μικρότερη παραγωγή βιομάζας, οφέλη ιδιαίτερα σημαντικά από οικονομικής πλευράς, καθώς μειώνεται αρκετά το κόστος λειτουργίας της μονάδας επεξεργασίας αποβλήτων. Η παράκαμψη αυτή συνήθως επιτυγχάνεται ρυθμίζοντας κατάλληλα τη συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου, το pH και τη θερμοκρασία. Ο σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η εύρεση του βέλτιστου τρόπου λειτουργίας αντιδραστήρα SBR μέσω σχεδιαστικών και λειτουργικών διαφοροποιήσεων με σκοπό την απομάκρυνση του αζώτου από τα λύματα με παράκαμψη της παραγωγής των νιτρικών. Έγινε χρήση των κατάλληλων ρυθμίσεων του πλήθους και της διάρκειας των αερόβιων και ανοξικών φάσεων λειτουργίας του αντιδραστήρα σύμφωνα με την προηγούμενη γνώση που είχαμε αποκτήσει από την εμπειρία του εργαστηρίου πάνω σε αυτή την τεχνολογία και την πατέντα που έχει εξελίχθη στο εργαστήριο μας. Έτσι έγινε περαιτέρω εξέλιξη της πιλοτικής μονάδας που είχε εγκατασταθεί στο χώρο του Βιολογικού Καθαρισμού της πόλεως της Πάτρα σε μεγαλύτερη κλίμακα και σε πραγματικές συνθήκες μεταβολής οργανικής φόρτισης. Κατά την διάρκεια της παρούσας εργασίας έγινε σχεδιασμός και κατασκευή τριών διαφορετικών μονάδων επεξεργασίας λυμάτων τύπου SBR. / In recent years, both at the global level but mainly European, there is an attempt to introduce successively more stringent laws and provisions relating to environmental policy, reflecting the increased environmental awareness of all citizens. At the same time, methods and techniques in order sought in all areas activity of people to achieve the reduction of pollution. within this overall management framework, particular importance are the works sewage and waste treatment, which are designed as long as possible faster and economical removal of dirty and harmful for the water environment (wastes) and the appropriate treatment (purification them) so disposed harmless to the environment (Aravossis et al, 2003). Causes of wastewater treatment process is to remove suspended particles, organic matter, microbial organisms and the food chain, leaving the remaining liquids suitable for absorption from the soil or disposal in rivers or the sea. the three basic levels of wastewater treatment process characterized as primary, secondary and tertiary. In primary treatment must be removed about two thirds of suspended particles and a third organic matter. In secondary processing in containers or Ventilation surfaces becomes degradation of the microorganisms mutated in organic matter. At the end of the used several times or chlorine compounds for the removal of harmful microbes.

Η μελέτη ενός πειράματος μικρής πιλοτικής κλίμακας, με δύο παράλληλα συστήματα ρηχών λεκανών (ύψους 0.35m), η μία λεκάνη με φύτευση του είδους Typha Latifolia και η άλλη χωρίς φύτευση, διεξάχθηκε για τον σχεδιασμό ελεύθερης επιφανειακής ροής (FWS) τεχνητού υγροτόπου. Οι δύο λεκάνες τροφοδοτήθηκαν με πραγματικά αστικά λύματα όπου οι χρόνοι παραμονής κυμάνθηκαν από 27,6 έως 38,0 ημέρες. Η μεταβολή του όγκου κάθε λεκάνης παρακολουθήθηκε για 2 συνεχή έτη και ταυτόχρονα υπολογίστηκαν οι ρυθμοί βροχόπτωσης και εξάτμισης. Η διαφορά του όγκου μεταξύ των δύο λεκανών οφειλόταν στην πρόσληψη νερού από τα φυτά, η οποία συγκρίθηκε με τις προβλέψεις της εξατμισοδιαπνοής παρόμοιων φυτών με την χρήση του υπολογιστικού προγράμματος REF-ET. Η συγκομιδή των φυτών πραγματοποιήθηκε τρείς φορές στην διάρκεια του 1ου έτους του πειράματος, ώστε να εκτιμηθεί ο ρυθμός πρόσληψης αζώτου από τα φυτά. Η σημαντικότερη διαφορά των δύο συστημάτων ήταν η αφαίρεση νερού μέσω της εξατμισοδιαπνοής των φυτών. Η πιλοτική μονάδα λειτούργησε έτσι ώστε να επιτευχθεί και απομάκρυνση της οργανικής ύλης (BOD5) και του ολικού αζώτου (TN) από τα λύματα. Ο σχεδιασμός της διευκόλυνε την ανάπτυξη ενός μαθηματικού μοντέλου, ακολουθώντας το πλαίσιο του μοντέλου της ενεργής ιλύος (ASM). Αρχικά το μαθηματικό μοντέλο αναπτύχθηκε για τις δύο λεκάνες με τις μικροβιακές διεργασίες που επικράτησαν στο εσωτερικό τους, ώστε να περιγραφεί πλήρως η συμπεριφορά τους. Η προσομοίωση και η εκτίμηση των παραμέτρων του μοντέλου επιτεύχθηκε με την χρήση του υπολογιστικού περιβάλλοντος του AQUASIM. Οι κύριες διεργασίες που ελήφθησαν υπόψη για την μοντελοποίηση ήταν η αμμωνιοποίηση, η αερόβια ετεροτροφική ανάπτυξη, η νιτροποίηση και η ανάπτυξη φυκών. Μια ισχυρή εποχική εξάρτηση παρατηρήθηκε για την συμπεριφορά κάθε λεκάνης όταν το μοντέλο εφαρμόστηκε για το 1ο έτος του πειράματος. Αυτό το μοντέλο επαληθεύτηκε ικανοποιητικά με τα πειραματικά δεδομένα του 2ου έτους. Η παρατηρούμενη μέση ετήσια απόδοση απομάκρυνσης του BOD5 και του TN ήταν 60% και 69%, αντίστοιχα για την λεκάνη χωρίς φυτά και 83% και 75%, αντίστοιχα για την λεκάνη με φυτά. Το μοντέλο προέβλεψε μέση ετήσια απόδοση απομάκρυνσης 82% για το BOD5 και 65% για το TN στην λεκάνη με φυτά, ικανοποιώντας τα κριτήρια για τον σχεδιασμό πλήρους κλίμακας τεχνητού υγροτόπου . Η ικανότητα του μοντέλου να προβλέπει όχι μόνο την απομάκρυνση της οργανικής ύλης αλλά και του ολικού αζώτου, θεωρήθηκε επαρκής όταν δοκιμάστηκε με έναν ελεύθερης επιφανειακής ροής τεχνητό υγρότοπο με 400 ισοδύναμο πληθυσμό, με μοναδική τροποποίηση τον συνυπολογισμό του περιορισμού του οξυγόνου στον ρυθμό της διεργασίας της νιτροποίησης. Επομένως, το δυναμικό μοντέλο διαμορφώθηκε με την ενσωμάτωση της πρόβλεψης του ρυθμού της εξατμισοδιαπνοής των φυτών και χρησιμοποιήθηκε για τον σχεδιασμό περίπτωσης μελέτης τεχνητού υγροτόπου πλήρους κλίμακας. Τα στοιχεία που απαιτούνται για αυτό τον σχεδιασμό περιλάμβαναν την παροχή εισόδου και κλιματολογικά στοιχεία (θερμοκρασίας και βροχόπτωσης) για την περιοχή του σχεδιασμού, καθώς και οι απαιτήσεις της ποιότητας εκροής. Η περίπτωση μελέτης για 4000 ισοδύναμο πληθυσμό όπου η ποιότητα εκροής ήταν σε μέσες ετήσιες τιμές BOD5=25mg/L και TN=15mg/L, χρειάστηκε μία συνολική επιφάνεια υγροτόπου 11 εκταρίων. Εάν χρησιμοποιηθούν δύο λεκάνες σε σειρά, η 1η με φυτά και η 2η χωρίς, τότε η συνολική επιφάνεια μειώνεται κατά περίπου 27%, ελέγχοντας μόνο την αρχική μέγιστη φύτευση της πρώτης λεκάνης του υγροτόπου. / The study at pilot-scale of two parallel systems with shallow basins (height h=0.35m), one planted with Typha Latiofolia and the other without vegetation, was conducted for the modeling of free water surface (FWS) constructed wetland systems. The basins were fed with real sewage at retention times ranging from 27.6 to 38.0 days. The variation of the volume in each basin was monitored for two consecutive years and simultaneously, rainfall and evaporation rates were calculated. The difference of the volume between the basins was due to the water absorption by the plants and was compared with the predictions of evapotranspiration rates of similar plants using the REF-ET calculation software. The harvesting of the plants was performed three times during the first year, in order to estimate the nitrogen uptake by the plants. The main difference in the two systems was the water removal through plant evapotranspiration. The pilot unit was operated so as to achieve the removal of both organic matter (BOD5) and total nitrogen (TN) from the sewage. Its design enabled the development of a mathematical model, following the framework of the activated sludge model (ASM). The simulation and the parameter estimation were achieved using the AQUASIM framework. The mathematical model describes the microbial processes, which dominated within the basins describing satisfactorily their behavior. The key processes accounted for in the modeling were ammonification, aerobic heterotrophic growth, nitrification and algal growth. A strong seasonal dependence was observed for each basin. The model was satisfactorily validated with the data of the second year. An observed average annual removal efficiency of BOD5 and TN were 60% and 69%, respectively for the basin without plants and 83% and 75%, respectively for the basin with plants. The model predicted average annual removal efficiency 82% for BOD5 and 65% for TN in the basin with plants, satisfying the design criteria of a full-scale constructed wetland. The ability of the model to predict not only the removal of organic matter but also total nitrogen removal, was considered sufficient as tested with a real free water surface constructed wetland of 400 population equivalent, with the sole modification being the inclusion of oxygen limitation in the nitrification rate. The dynamic model was amended with the direct incorporation of the plant evapotranspiration rate and it was used to design a full-scale constructed wetland. The required elements for this design included the inflow rate and climatic data (temperature and rainfall) for the design region, as well as the effluent quality requirements. In the case study of 4000 population equivalent, the effluent quality requirement was: average annual values for BOD5=25mg/L and for TN=15mg/L. The model was used to determine a total wetland surface requirement of 11ha. If two sequential basins are used, the first with plants and the second without, then the total wetland surface could be reduced by approximately 27%, controlling only the maximum initial vegetation in the first wetland basin.