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.

Στην παρούσα μελέτη εξετάζεται η δυνατότητα επαναχρησιμοποίησης των επεξεργασμένων αστικών λυμάτων και ιλύος από Εγκαταστάσεις Επεξεργασίας Λυμάτων του νομού Αιτωλ/νίας σε γεωργικές εκτάσεις του νομού. Στο πρώτο μέρος της εργασίας γίνεται μια εισαγωγή στην επαναχρησιμοποίηση των αστικών λυμάτων στην γεωργία. Περιγράφονται τα χαρακτηριστικά των λυμάτων, οι διεργασίες που συντελούνται στις Εγκαταστάσεις Επεξεργασίας Λυμάτων, τα κριτήρια ποιότητας που πρέπει να πληρούν τα λύματα (προκειμένου να χρησιμοποιηθούν για άρδευση). Αναλύονται τα αγρονομικά κριτήρια και τα κριτήρια για την διασφάλιση της δημόσιας υγείας, που πρέπει να τηρούν τα επεξεργασμένα λύματα, ώστε να εφαρμόζονται στα εδάφη με ασφάλεια. Επίσης, στο πρώτο μέρος αναλύονται τα κριτήρια επιλογής θέσεων για την εφαρμογή των λυμάτων, καθώς και το νομοθετικό πλαίσιο που ισχύει στην Ελλάδα σχετικά με την επαναχρησιμοποίηση. Τέλος, γίνεται μια επισκόπηση της διεθνούς πρακτικής σχετικά με την επαναχρησιμοποίηση και περιγράφεται και η κατάσταση που επικρατεί στον Ελλαδικό χώρο. Στο δεύτερο μέρος γίνεται αναφορά στους υδατικούς πόρους του νομού Αιτωλ/νίας. Περιγράφεται το υδατικό δυναμικό του νομού Αιτωλ/νίας, οι ανάγκες νερού για διάφορες χρήσεις στον νομό, καθώς και οι υποδομές δικτύων άρδευσης σην Αιτωλ/νία. Το τρίτο μέρος αναφέρεται στην χρήση της ιλύος στην γεωργία. Γίνεται περιγραφή των χαρακτηριστικών της λυματολάσπης, του νομικού πλαισίου που ισχύει κατά την χρήση της στην γεωργία και τονίζονται τα κρίσιμα σημεία ελέγχου κατά την εφαρμογή της λάσπης στα γεωργικά εδάφη. Στο τέταρτο μέρος γίνεται η οριοθέτηση και η περιγραφή των περιοχών μελέτης και παρουσιάζεται ο τρόπος, με τον οποίο προσδιορίζονται οι καλλιεργούμενες εκτάσεις μέσα σε κάθε περιοχή μελέτης, ώστε στην συνέχεια να εκτιμηθούν οι υδατικές απαιτήσεις. Οι Εγκαταστάσεις Επεξεργασίας Αστικών Λυμάτων, που εξετάζονται στην παρούσα μελέτη, είναι αυτές των Δήμων Μεσολογγίου, Αιτωλικού, Θέρμου, Αγρινίου και Ναυπάκτου. Ενώ οι επιλεγείσες περιοχές μελέτης βρίσκονται πλησίον των ανωτέρω εγκαταστάσεων. Γίνεται επίσης σύντομη αναφορά στον τρόπο λειτουργίας της κάθε ΕΕΛ. Στο πέμπτο μέρος γίνεται αναφορά στους παράγοντες που επηρεάζουν την υδατοκατανάλωση των καλλιεργειών, αναλύεται η μεθοδολογία με την βοήθεια της οποίας προσδιορίζονται οι υδατικές απαιτήσεις των καλλιεργειών σύμφωνα με την εξίσωση των Penman Monteith κατά FAO. Προσδιορίζονται οι υδατικές απαιτήσεις των καλλιεργειών και οι συνολικές ανάγκες σε αρδευτικό νερό για κάθε περιοχή μελέτης, ακολουθεί η συσχετισή του με τις ετήσιες εκροές της κάθε ΕΕΛ, ώστε να προκύψει το ποσοστό κάλυψης των αρδευτικών αναγκών με επεξεργασμένες εκροές για την κάθε περιοχή. Τέλος, στο έκτο μέρος γίνεται μια προσπάθεια εκτίμησης της δυνατότητας χρήσης της λυματολάσπης στα εδάφη του νομού Αιτωλ/νίας. / This study examines the potential reuse of treated municipal wastewater and sludge from Waste Water Treatment Plants (WWTPs) in agricultural areas of Aitoloakarnania prefecture. The first part of the study is an introduction to the reuse of urban wastewater in agriculture. Describes the characteristics of wastewater, the processes occurring in the wastewater treatment plants, the quality criteria that wastewater should have for safe use in irrigation. Also, the first part analyzes the criteria for selecting areas to apply wastewater. The legislative framework in Greece for waste water reuse is also analyzed. Finally, a review of international and domestic practices on agricultural reuse is given. The second part refers to the water resources of the Aitoloakarnania prefecture. The third part refers to the use of sludge in agriculture. Describes the characteristics of the sludge, the legal framework applicable for use in agriculture and highlights the critical control points in the application of sludge on soils. The fourth part describes each study area and shows how we can specify in each area the cultivated species (crops) in order to calculate the water requirements of the crops. The study areas are sited near by the WWTPs of Messolongi, Aitoliko, Thermo, Agrinio, Naupaktos. The fifth part refers to the factors affecting water requirements of the crops, and analyzes the methodology used to calculate water requirements of crops (FAO Penman – Monteith equation). At the end of the part there is a correlation between the water requirements of the crops and the annual output of each WWTP, resulting in the percentage of coverage of irrigation demands of crops in each studied area. Finally, the sixth part is an attempt to assess the usability of sludge to soils of the Aitoloakarnania prefecture.

Η μικροβιακή κυψελίδα καυσίμου (ΜΚΚ) είναι ένας βιοαντιδραστήρας ο οποίος μετατρέπει απευθείας τη χημική ενέργεια ποικίλων υποστρωμάτων σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω μικροβιακών καταλυτικών αντιδράσεων, σε αναερόβιες συνθήκες. Η διττή υπόστασή της τεχνολογίας να επεξεργάζεται λύματα με ταυτόχρονη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, έχει κερδίσει τα τελευταία χρόνια το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας. Η παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνει μια πρωτότυπη ΜΚΚ ενός θαλάμου ιδιαίτερης αρχιτεκτονικής, η οποία συνδυάζει πληθώρα πλεονεκτημάτων. Τα πειράματα που διεξήχθησαν είχαν ως απώτερο στόχο τη βελτιστοποίηση τόσο των σχεδιαστικών όσο και των λειτουργικών παραμέτρων της κυψελίδας, η οποία μελετήθηκε κάτω από το πρίσμα της εφαρμογής της σε μονάδες βιολογικού καθαρισμού αστικών λυμάτων. Η λογική που εργάστηκα βασίστηκε στη λειτουργία της συσκευής με πλήρη αντικατάσταση των ακριβών υλικών από φθηνότερα, ενώ ταυτόχρονα προσπάθησα σταδιακά να βελτιώσω την απόδοσή της, ακόμα και σε λειτουργίες μακράς διαρκείας. Η καινοτόμος κυψελίδα λειτούργησε σε συνθήκες διαλείποντος και συνεχούς έργου. Παράλληλα, με τη λειτουργία της καινοτόμου διάταξης, μελετήθηκε η επίδραση διαφορετικών παραμέτρων στην απόδοση ΜΚΚ δύο θαλάμων (τύπου H). Η εμπειρία που αποκτήθηκε από την προκειμένη λειτουργία, καθώς και τα αποτελέσματα των πειραμάτων αυτών, είναι πρωταρχικής σημασίας, καθώς αποτέλεσαν τον οδηγό για την καινοτόμο κατασκευή και τη λειτουργία της ΜΚΚ ενός θαλάμου. Έτσι λοιπόν, στα πλαίσια της παρούσας έρευνας μελετήθηκαν τόσο συνθετικά (γλυκόζη, πεπτόνη από χωνευμένο με τρυψίνη κρέας και αραβοσιτέλαιο) όσο και πραγματικά απόβλητα (ορρός τυρογάλακτος, αστικό λύμα). Ειδικότερα, μελετήθηκαν οι παράμετροι της ιοντικής ισχύος, του pH, του είδους του αποδέκτη ηλεκτρονίων, της θερμοκρασίας, της αρχικής συγκέντρωση του υποστρώματος, του υδραυλικού χρόνου παραμονής (HRT), της επιφάνειας του ανοδικού ηλεκτροδίου αλλά και της ποσότητας του καταλύτη της καθόδου. Επιπρόσθετα, προκειμένου να επιτευχθεί πλήρης ηλεκτροχημικός χαρακτηρισμός των κυψελίδων, διεξήχθηκαν πειράματα Φασματοσκοπίας Ηλεκτροχημικής Εμπέδησης (Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS) ενώ παράλληλα ελήφθησαν ηλεκτρονικές μικρογραφίες των ανοδικών ηλεκτροδίων με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM). Τέλος, στα πλαίσια αξιοποίησης των πειραματικών αποτελεσμάτων της παρούσας διατριβής το μαθηματικό μοντέλο των Zeng et al τροποποιήθηκε κατάλληλα ώστε να καταστεί δυνατή η περιγραφή των αποτελεσμάτων της ΜΚΚ δύο θαλάμων. / A microbial fuel cell (MFC) is a bioreactor that converts the chemical energy of the bonds of organic compounds to electrical energy, through the catalytic reactions of microorganisms under anaerobic conditions. Over the last years the MFC technology has gained increasing interest from the scientific community, because it offers the advantage of simultaneous wastewater treatment and electricity generation. The present thesis proposes an innovative single chamber MFC design of a special architecture, which combines several advantages. The aim of the experiments was to optimise the design and the operational parameters of the proposed MFC, under the view of its practical implementation at wastewater treatment plants. In order to accomplish this goal the cost was kept low, by replacing all the expensive materials with lower-cost ones, while gradually increasing the cell performance even during long term operation. The MFC was operated both in batch and continuous mode. In parallel with single chamber MFC operation, the effects of several parameters on the performance of a dual chamber MFC (H-type) were examined. The findings from these experiments as well as the experience gained are of great significance, because they were used as guides for the construction and operation of the prototype cell. In conclusion, during the present research, synthetic (glucose, peptone, trypsin from meat digested and corn oil) as well as real wastewater (cheese whey, domestic wastewater) were examined. Specifically, the ionic strength, pH, the type of electron acceptor, the temperature, the initial substrate concentration, the Hydraulic Retention Time (HRT), the surface area of the anodic electrode as well as the quantity of the cathode catalyst were tested. Additionally, aiming at a detailed electrochemical characterization of the MFCs, the impedance characteristics were also investigated by performing Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) experiments, while Scanning Electron Microscopy (SEM), images of the anodic biofilm were collected. Finally, for the valorization of the experimental results of the present thesis, the mathematical model of Zeng et al was appropriately modified in order to describe the experimental results of the dual chamber MFC.

Μελετάται αριθμητικά η υδροδυναμική κυκλοφορία του Πατραϊκού κόλπου. Σκοπό αποτελεί η κατανόηση της τρισδιάστατης δομής της ροής που προκαλείται υπό διάφορες φυσικές φορτίσεις, δηλαδή τον άνεμο, την παλίρροια και τη στρωμάτωση. Η αριθμητική προσομοίωση γίνεται με τον τρισδιάστατο αριθμητικό κώδικας πεπερασμένων όγκων MIKE 3 FM (HD,TR). Η ανεμογενής κυκλοφορία, κατά τους χειμερινούς μήνες οπότε ο κόλπος σύμφωνα με μετρήσεις είναι ομογενής, παρουσιάζει στοιχεία ροής μεγάλης κλίμακας, με επιρροή από τη δύναμη Coriolis, ανάπτυξη στρώματος Ekman και ισχυρά ρεύματα επιστροφής, λίγα μέτρα κάτω από την ελεύθερη επιφάνεια. Ταυτόχρονα, σε περιοχές όπως η θέση του στενού Ρίου-Αντιρρίου η ροή συμπεριφέρεται περισσότερο ως υδραυλική ροή με ταπείνωση της ελεύθερης επιφάνειας και κατακόρυφο προφίλ ταχύτητας, όμοιο με της τυρβώδους ροής Couette. Στην οριζόντια διεύθυνση, η ροή παρουσιάζει έντονα παράκτια ρεύματα και κλίση της ελεύθερης επιφάνειας. Εκτιμάται ότι ο χρόνος ανανέωσης των υδάτων για τον κόλπο θα κυμαίνεται από ένα μήνα έως μία εβδομάδα, ανάλογα με την ένταση του ανέμου. Φαίνεται ότι στα βαθύτερα στρώματα του Πατραϊκού η ανεμογενής ροή δεν επιδρά σημαντικά στην ανανέωση των υδάτων, τα οποία παραμένουν εγκλωβισμένα και επανακυκλοφορούν μεταξύ των δύο εγκάρσιων ραχών που οριοθετούν την λεκάνη του. Τα παλιρροϊκά ρεύματα, τα οποία είναι σημαντικά στον Πατραϊκό, καθορίζουν την κυκλοφορία των υδάτων στο κύριο σώμα του κόλπου και στο στενό Ρίου-Αντιρρίου, ενώ η ανεμογενής ροή είναι καθοριστική κοντά στις ακτές. Η συνδυασμένη δράση ανέμου και παλίρροιας προκαλεί κυκλωνικούς και αντικυκλωνικούς στροβίλους, πλησίον των βορείων και νοτίων ακτών του Πατραϊκού, η φορά των οποίων υπαγορεύεται αποκλειστικά από τα ισχυρά ανεμογενή παράκτια ρεύματα. Η μελέτη της καλοκαιρινής κυκλοφορίας αναδεικνύει σημαντικές διαφορές, σε σύγκριση με την χειμερινή κυκλοφορία των υδάτων στον Πατραϊκό κόλπο. Τα ανεμογενή ρεύματα είναι αμελητέα από τη ζώνη του θερμοκλινούς και κάτω, για τη μέση ένταση ανέμου, ενώ η ένταση της τύρβης περιορίζεται στο επιλίμνιο. Την καλοκαιρινή περίοδο η δράση νοτιοδυτικού ανέμου συνδέεται με την παρουσία αναβλύσεων στις βορειοδυτικές ακτές του όρμου της Ναυπάκτου και στο μέτωπο της λιμνοθάλασσας του Μεσολογγίου. Αναβλύσεις εντοπίζονται και νοτιοδυτικά του Ρίου, μπροστά από την πόλη των Πατρών, για βορειοανατολικούς ανέμους. Στο στενό Ρίου-Αντιρρίου η δράση του ανέμου, αλλά και η παλίρροια οδηγούν στη γένεση εσωτερικών κυμάτων τα οποία προκαλούν κατακόρυφη κυκλοφορία. Κύριο χαρακτηριστικό της κυκλοφορίας των υδάτων στον Πατραϊκό, την καλοκαιρινή περίοδο, είναι ο ισχυρός κυκλωνικός στρόβιλος που παρατηρείται στο κέντρο του κόλπου αναγκάζοντας τα ύδατα σε περιστροφική κίνηση. Με βάση τις αριθμητικές προσομοιώσεις η ύπαρξη ισχυρού κυκλωνικού στροβίλου συνδέεται αποκλειστικά με την παρουσία βορειοανατολικού ανέμου και συγκεκριμένα στη φάση της πλημμυρίδας. Τέλος, με βάση τις αριθμητικές προσομοιώσεις υπολογίζεται το τρισδιάστατο πεδίο ρευμάτων στην ευρύτερη περιοχή του παλαιού και νέου λιμένα Πατρών, καθώς και η διάχυση και μεταφορά των επεξεργασμένων λυμάτων από τον αγωγό της ΔΕΥΑΠ. / The hydrodynamic circulation in the Gulf of Patras, in Western Greece, is studied using three-dimensional numerical simulations. The simulations are performed using the three-dimensional modeling system MIKE 3 FM (HD/TR). The wind-induced circulation is examined in the natural basin of the Gulf of Patras, in which batotropic flow develops, according to field measurements, during the winter months. The simulations show that the wind-induced flow creates strong currents near the coasts, which determine the sense of rotation of the gyres that develop in the Gulf. Strong currents are also created at the Rio-Antirio straits. The wind-induced, barotropic currents do not seem to contribute to the renewal of bottom waters, which recirculate between the two sills. Depending on the speed of the wind forcing the flow, the residence time of the waters in the Gulf of Patras is estimated to range from one month to one week. The tide-induced circulation is important in the Gulf of Patras. Strong, tidal currents have been simulated to develop at the straits of Rio-Antirrio and in the main body of the Gulf, with cyclonic and anticyclonic eddies developing at the northern and southern coasts, respectively. When there is also wind blowing, nearshore gyres develop, the sense of rotation of which is by the wind direction, while in the central part of the Gulf the flow pattern is dictated by the tidal action. Further, the baroclinic wind and tide-induced circulation are studied to investigate the effect of stratification on the structure of the flow. During the summer period the wind-induced flow and the wind generated turbulence driven by winds of medium strength are restricted to the upper layer of the epilimnion, while the strong winds cause tilt and erosion of the thermocline in the central part of the Gulf and generation of internal waves at the straits of Rio-Antirio. Salient features of the summer circulation are the strong upwellings and the central cyclonic gyre which are predicted using numerical simulations. Upwellings occur along the northwesterly portion of the Nafpaktos bay coasts at the westerly part of the Gulf of Corinth, under southwesterly wind, and to the south of Rio cape at the front of the city of Patras, under northeasterly wind. Concerning with the central cyclonic eddy, according to numerical simulations it develops exclusively during the flood tide under the simultaneous action of northeasterly winds. The numerical predictions were validated against satellite images of the surface temperature field determined by NOAA-6 and NOAA-7 which closely confirm the simulation results. Finally, the simulated barotropic and baroclinic flow fields are applied to the calculation of the currents near the port of Patras and to the advection and diffusion of the treated sewage effluents disposed of near the southeasterly coast of the Gulf, near the city of Patras.

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.