Η αρχή λειτουργίας των διατάξεων επεξεργασίας υγρών αποβλήτων με περιστρεφόμενους εμβαπτιζόμενους δίσκους (ΠΕΔ) ή βιοδίσκους, όπως έχει επικρατήσει να αποκαλούνται, είναι ιδιαιτέρως απλή.

Πρόκειται για αερόβια διεργασία, κατά την οποία η μεταφορά του απαιτούμενου οξυγόνου στο προς επεξεργασία απόβλητο γίνεται με φυσικό, μη βεβιασμένο τρόπο και σε περιοδική βάση.Η μονάδα των βιοδίσκων αποτελείται από σειρά κατακόρυφων κυκλικών δίσκων συνήθως από ανθεκτικό συνθετικό υλικό (πχ πολυπροπυλένιο), μικρού πάχους 3-10 mm, διαμέτρου έως 2,5m. Περιστρέφονται γύρω από οριζόντιο άξονα σε ημικυλινδρική προκατασκευασμένη δεξαμενή, από πολυπροπυλένιο ή ανοξείδωτο χάλυβα. Οι δίσκοι είναι βυθισμένοι στα λύματα κατά  40-45% και καθώς περιστρέφονται με μικρή ταχύτητα (περίπου 3 rpm), η επιφάνειά τους έρχεται περιοδικά σε επαφή με το οργανικό φορτίο των λυμάτων και τον ατμοσφαιρικό αέρα. Με τον τρόπο αυτό ευνοείται η ανάπτυξη αερόβιας βιολογικής μεμβράνης στην επιφάνειά τους. Όταν η μεμβράνη  αποκτήσει ορισμένο πάχος αποκολλάται και παρασύρεται στη δεξαμενή δευτεροβάθμιας καθίζησης απ’ όπου και συλλέγεται.

Η δεξαμενή των δίσκων αποτελεί δηλαδή μια δεξαμενή αερισμού με ιδιαίτερα υψηλή απόδοση και υψηλές συγκεντρώσεις διαλελυμένου οξυγόνου. Αυτό οφείλεται στη συνεχή επαφή των λυμάτων με τον ατμοσφαιρικό αέρα χάρις στην περιστροφή των δίσκων και την απορρόφηση οξυγόνου από το στρώμα των μικροοργανισμών που είναι προσκολλημένο στην επιφάνεια των δίσκων.

Οι δίσκοι τοποθετούνται πολύ κοντά με διάκενο 1-2 cm και διακρίνονται σε ομάδες (στοιχεία), με διαφράγματα στην ημικυλινδρική δεξαμενή. Μεταξύ των δίσκων παρεμβάλλονται ειδικοί αναδευτήρες που εμποδίζουν μέσω της ανάδευσης τις επικαθίσεις ιζημάτων και το φράξιμο των διακένων.

Βασικά στοιχεία σχεδιασμού 

Η γενική μορφή μιας μονάδας βιοδίσκων δεν διαφέρει σε τίποτε από μια μονάδα συμβατικής επεξεργασίας σε ότι αφορά τα στάδια της επεξεργασίας. Διακρίνονται και εδώ τα στάδια της προεπεξεργασίας, της βιολογικής επεξεργασίας και της απομάκρυνσης ιλύος.

Το στάδια της προεπεξεργασίας, ή μηχανικής επεξεργασίας αντιμετωπίζεται ανάλογα με τις ανάγκες της κάθε περίπτωσης. Συνήθως για μικρές μονάδες αστικών αποβλήτων προτείνεται η κατασκευή μιας τριθάλαμης σηπτικής δεξαμενής με διατάξεις λιποσυλλογής, η οποία χρησιμοποιείται τόσο ως δεξαμενή εξισορρόπησης όσο και ως α'βάθμια καθίζηση. Πριν ή μετά από τη σηπτική δεξαμενή τοποθετείται μια βαθμίδα εσχάρωσης, κατά προτίμηση περιστρεφόμενο κόσκινο στο οποίο τα στερεά που συγκρατούνται απομακρύνονται μέσω της περιστροφικής κίνησης, πρεσάρονται αν είναι απαραίτητο και καταλήγουν σε κάδο απορριμμάτων. Στερεά μεγέθους έως 0,6 mm απομακρύνονται με τον τρόπο αυτό.

Στη συνέχεια τοποθετείται η βαθμίδα των βιοδίσκων. Η βασική σχεδιαστική παράμετρος είναι το επιφανειακό φορτίο, δηλαδή η φόρτιση μάζας BOD5 ανά m2 διαθέσιμης επιφάνειας δίσκων. Οι τιμές της παραμέτρου κυμαίνονται από 5-30 gBOD5 /m2 d, ανάλογα με τη μέση θερμοκρασία του αποβλήτου και τις απαιτήσεις καθαρισμού. Ο χρόνος παραμονής εντός της δεξαμενής είναι αρκετά μικρός και κυμαίνεται από 20-40min (ανάλογα και με το αν απαιτείται νιτροποίηση).

Η Γερμανική Ένωση Υγρών Αποβλήτων (ATV) δίνει ως οριακές τιμές για τους μελετητές φορτίσεις 10 gBOD5 /m2 d και 5 gBOD5 /m2 d για νιτροποίηση σε θερμοκρασία αναφοράς 12οC. Οι τιμές των 15-25 gBOD5 /m2 d έχει αποδειχθεί  ότι ισχύουν για τις περιπτώσεις αποβλήτων σε υψηλότερες θερμοκρασίες.

Μέσω αυτής της παραμέτρου οδηγείται κανείς σε μια συνολική απαιτούμενη επιφάνεια δίσκων και ανάλογα με τις κατασκευαστικές δυνατότητες επιλέγονται το μέγεθος και ο αριθμός των δίσκων.

Ανάλογα με τις απαιτήσεις επεξεργασίας είναι δυνατό να επιτευχθεί και νιτροποίηση-απονιτροποίηση με βάση κατάλληλη επιλογή επιφανειακού φορτίου για το αμμωνιακό άζωτο, στην ίδια ή σε διαφορετικές βαθμίδες. Η νιτροποίηση είναι δυνατό να γίνει στη βασική δεξαμενή αερισμού ή σε ξεχωριστή δεξαμενή ανάλογα με την επιλογή του μελετητή. Κατά κανόνα προτιμάται η απονιτροποίηση σε δεξαμενή που ακολουθεί αυτή της κυρίως βιολογίας.  Ενδεικτικές τιμές παρουσιάζονται στον πίνακα που ακολουθεί.

Μετά τη δεξαμενή των βιοδίσκων ακολουθεί δεξαμενή καθίζησης. Διάφοροι κατασκευαστές έχουν αναπτύξει ειδικές κατασκευές για την καθίζηση προσπαθώντας κυρίως να μεγιστοποιήσουν την εξοικονόμηση χώρου. Σε κάθε περίπτωση, η δεξαμενή καθίζησης είναι συνήθως και αυτή προκατασκευασμένη και δίνει λάσπη αρκετά σταθεροποιημένη, ενώ γίνεται ανακυκλοφορία λάσπης στη δεξαμενή των βιοδίσκων σε ποσοστά που μπορεί να κυμαίνονται από 20-80% ανάλογα με τις λειτουργικές παραμέτρους της εγκατάστασης.

Η περίσσεια λάσπης, είναι αρκετά σταθεροποιημένη, παρά τους μικρούς υδραυλικούς χρόνους παραμονής, κυρίως εξ'  αιτίας της αρκετά υψηλής συγκέντρωσης MLVSS στη δεξαμενή βιοδίσκων. Να σημειωθεί ότι σε σχέση με τις συμβατικές μεθόδους η ποσότητα της δραστικής βιομάζας στο σύστημα διακρίνεται σε δύο μορφές, προσκολλημένη στους δίσκους και κατανεμημένη στο υγρό της δεξαμενής. Γι αυτό αν και οι συγκεντρώσεις MLVSS είναι της τάξης των 900-1.000mg/l στην πραγματικότητα πρέπει κανείς να συνυπολογίσει τους ενεργούς μικροοργανισμούς του επί των δίσκων στρώματος. Κατά συνέπεια, ενώ η ονομαστική ηλικία λάσπης είναι 3-5 ημέρες, παρουσιάζει ιδιότητες ανάλογες με τη λάσπη παρατεταμένου αερισμού.

Σε μικρές μονάδες προτιμάται η αποθήκευση της λάσπης σε ιδιαίτερη δεξαμενή ή σε θάλαμο της σηπτικής δεξαμενής, εάν υπάρχει, στην είσοδο της μονάδας.

Χαρακτηριστικά λειτουργίας

Η απουσία μηχανικών διατάξεων αερισμού έχει ως αποτέλεσμα την πλήρη έλλειψη θορύβου από τη λειτουργία του συστήματος. Παράλληλα, οι υψηλές συγκεντρώσεις διαλελυμένου οξυγόνου (έως και 8mg/l) και η συνεχής, άμεση επαφή των αποβλήτων με τον ατμοσφαιρικό αέρα, εξασφαλίζουν απουσία δυσοσμίας κατά τη λειτουργία του συστήματος.

Στο σημείο αυτό πρέπει να τονισθεί ότι η γεωμετρία και η μορφή της επιφάνειας των δίσκων αποτελεί πολύ σημαντική παράμετρο. Δίσκοι με ανώμαλη επιφάνεια η οποία ευνοεί την ανάπτυξη-συγκράτηση του στρώματος των μικροοργανισμών μπορεί να έχουν ως αποτέλεσμα την παραμονή των μικροοργανισμών στο στρώμα αυτό για χρονικό διάστημα μεγαλύτερο από την ωφέλιμη ζωή τους. Επίσης δίσκοι με πτυχωτή επιφάνεια, εξασφαλίζουν μεν μεγαλύτερη ωφέλιμη επιφάνεια και άρα ελαχιστοποιούν τον απαιτούμενο όγκο, αλλά κρύβουν προβλήματα αύξησης του στρώματος των μικροοργανισμών πέραν των 2-3mm τα οποία αποτελούν το βέλτιστο πάχος για την αποφυγή δημιουργίας αναερόβιων συνθηκών στη βάση του στρώματος. Είναι λοιπόν σημαντικό τόσο ο μελετητής όσο και ο κατασκευαστής να σταθμίσουν αυτά τα δεδομένα πριν την επιλογή των χαρακτηριστικών.

Ένα άλλο σημαντικό πλεονέκτημα των εγκαταστάσεων βιοδίσκων είναι η απουσία σημαντικού θορύβου καθώς δεν χρησιμοποιούνται ούτε επιφανειακοί αεριστήρες ούτε αεροσυμπιεστές. Τέλος οι διάφοροι κατασκευαστές προσφέρουν λύσεις για τη διακριτική τοποθέτησή τους ανάλογα και με το μέγεθος της εγκατάστασης.

Ο πίνακας 2 παρουσιάζει τα βασικά λειτουργικά χαρακτηριστικά μιας τυπικής μονάδας βιοδίσκων.

Το σημαντικότερο ίσως πρόβλημα λειτουργίας μιας μονάδας βιοδίσκων είναι ο αρχικός σχηματισμός του στρώματος των μικροοργανισμών και η εκκίνηση λειτουργίας. Είναι προφανές ότι απόβλητα με χαμηλό οργανικό φορτίο είναι αρκετά δύσκολο να "συντηρήσουν" μια εγκατάσταση βιοδίσκων.

Εφαρμογές και οικονομικά δεδομένα

Οι εγκαταστάσεις των βιοδίσκων συνήθως παρουσιάζουν αυξημένο πάγιο κόστος κτήσης (έως και 20% υψηλότερο) σε σχέση με τις αντίστοιχες συμβατικές κατασκευές, κυρίως λόγω του ότι είναι κατά κανόνα πλήρως προκατασκευασμένες. Παρόλα αυτά όμως το λειτουργικό κόστος είναι αισθητά μικρότερο καθώς ο μοναδικός σημαντικό καταναλωτής ρεύματος είναι ο άξονας περιστροφής των βιοδίσκων (εξαιρουμένων των αντλιών οι οποίες είναι και στις δύο περιπτώσεις ισοδύναμες). Επίσης δεν υπάρχουν μηχανικά μέρη τα οποία να υφίστανται ιδιαίτερη καταπόνηση και άρα οι απαιτήσεις σε ανταλλακτικά είναι μικρές.

Επιπλέον χημικά ή άλλα πρόσθετα δεν απαιτούνται εκτός και εάν το επιβάλλει η φύση του αποβλήτου.

Σε αριθμούς το μέσο κόστος κτήσης μιας εγκατάστασης βιοδίσκων είναι 35-50.000 δρχ/m3, ενώ η μέση κατανάλωση ενέργειας 4-5 W/m3. Οι παραπάνω τιμές είναι προφανώς άμεσα εξαρτημένες από τον κατασκευαστή και αναφέρονται αποκλειστικά σε αστικά απόβλητα.

Το κύριο πεδίο εφαρμογής των εγκαταστάσεων επεξεργασίας με βιοδίσκους είναι τα αστικά απόβλητα και ιδιαίτερα αυτά μικρών οικισμών, με προβλήματα χώρου και πρόσβασης (νησιά, ορεινές περιοχές, ξενοδοχεία, κατασκηνώσεις κλπ). Υπάρχουν όμως και αρκετές περιπτώσεις που τα συστήματα βιοδίσκων έχουν λειτουργήσει με μεγάλη επιτυχία σε μεταποιητικές μονάδες (βιομηχανία τροφίμων) ή μονάδες του πρωτογενούς τομέα (εκτροφεία ψαριών).

Από άποψη δυναμικότητας, η μικρότερη εγκατεστημένη μονάδα εξυπηρετεί 6 κατοίκους (όχι ισοδύναμους αλλά πραγματικούς) και η μεγαλύτερη 14.000 ΙΚ (3.000 m3/d). Μονάδες μεγαλύτερης δυναμικότητας κρίνονται μάλλον ασύμφορες, τόσο από οικονομικής όσο και από διαχειριστικής άποψης. Για τα ελληνικά δεδομένα το εύρος δυναμικότητας στο οποίο μπορεί τεχνικά και οικονομικά να κινηθεί μια εγκατάσταση βιοδίσκων είναι 100-7.000 IK (20-1.500 m3/d).

Επίσης οι εγκαταστάσεις βιοδίσκων θεωρούνται οι ιδανικές μονάδες επεξεργασίας για την εφαρμογή μη συγκεντρωτικών στρατηγικών επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων, δηλαδή, "one in everybody's neighborhood" οι οποίες σε αρκετές περιπτώσεις στον ελληνικό χώρο μπορούν να αποδειχθούν σωτήριες τόσο από τεχνικής, οικονομικής, αλλά και κοινωνικής άποψης. Η λογική της τοποθέτησης μικρών μονάδων για κάθε οικισμό ή κοινότητα καταργεί την ανάγκη κατασκευής αγωγών συλλογής και μεταφοράς προς ένα κεντρικό σταθμό επεξεργασίας, έργο ιδιαίτερα αντιοικονομικό αν λάβει κανείς υπ΄ όψιν του τις κατά τόπους γεωγραφικές ιδιομορφίες και τα ενδιάμεσα αντλιοστάσια, αλλά και προβληματικό από λειτουργική άποψη.

Ένα άλλο σημαντικό πρόβλημα το οποίο μπορεί να αντιμετωπισθεί είναι η μεγάλη εποχιακή διακύμανση φορτίων που παρατηρείται σε τουριστικές περιοχές με λίγους μόνιμους κατοίκους. Η σύνθεση μιας τέτοιας εγκατάστασης μπορεί να ακολουθήσει δομούμενη (modular) φιλοσοφία, η οποία να επιτρέπει τη λειτουργία μέρους μόνο της εγκατάστασης με τρόπο ιδιαίτερα απλό και απόλυτα αποτελεσματικό.

Συνοψίζοντας, τα κύρια πλεονεκτήματα της μεθόδου εντοπίζονται στα εξής:

•  χαμηλό λειτουργικό κόστος
•  μικρές απαιτήσεις σε συντήρηση και ανταλλακτικά
•  μικρός απαιτούμενος χώρος εγκατάστασης
•  απουσία οσμών, θορύβου και ευκολία στη διευθέτηση
•  εύκολη επέκταση, ή και μεταφορά της μονάδας (δομούμενα συστήματα)
•  απλότητα στη λειτουργία
•  ευκολία στη διαχείριση παροχών με σημαντικές αυξομειώσεις

Ως βασικά μειονεκτήματα μπορούν να αναφερθούν:

•  σχετικά υψηλό κόστος κτήσης
• έλλειψη σημαντικής εμπειρίας και λειτουργικών δεδομένων
• περιορισμοί στο μέγεθος
• δεν χρησιμοποιούνται σε όλα τα είδη αποβλήτων