Μαθηματική προσομοίωση συστημάτων αναερόβιας βιολογικής επεξεργασίας υπογείων υδάτων για την απομάκρυνση εξασθενούς χρωμίου

Abstract

Το χρώμιο αποτελεί ένα χημικό στοιχείο που συναντάται στη φύση κυρίως στην τρισθενή (Cr(III)) και την εξασθενή μορφή του (Cr(VI)). Στην τρισθενή του μορφή, το χρώμιο δεν έχει αρνητική επίδραση στους ζωντανούς οργανισμούς. Αντίθετα, το εξασθενές χρώμιο αποτελεί ιδιαίτερα τοξικό παράγοντα για τους ζωντανούς οργανισμούς ενώ έχει αποδειχθεί ότι είναι καρκινογόνο και μεταλλαξιογόνο. Στα υδάτινα σώματα, το εξασθενές χρώμιο σε αντίθεση με το τρισθενές, συναντάται σε διαλυμένη μορφή. Δεδομένης της επικινδυνότητάς του εξασθενούς χρωμίου, η εφαρμογή μεθόδων απομάκρυνσής του από τα υδάτινα σώματα είναι ιδιαίτερης σημασίας. Οι βιολογικές μέθοδοι επεξεργασίας για την απομάκρυνση του εξασθενούς χρωμίου απο το νερό έχουν αποδειχτεί ιδιαίτερα αποτελεσματικές. . Ειδικότερα, σε πειράματα όπου εφαρμόστηκε το σύστημα ενεργού ιλύος υπό αναερόβιες συνθήκες σε ύδατα ρυπασμένα με εξασθενές χρώμιο, επιτεύχθηκε σχεδόν πλήρης απομάκρυνση του εξασθενούς χρωμίου. Στόχος της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας ήταν η ανάπτυξη ενός μαθηματικού ομοιώματος για την προσομοίωση της λειτουργίας συστημάτων αναερόβιας βιολογικής επεξεργασίας υδάτων για την απομάκρυνση εξασθενούς χρωμίου. Για την προσομοίωση των διεργασιών του αναερόβιου μεταβολισμού, το μαθηματικό ομοίωμα που αναπτύχθηκε βασίστηκε στο μοντέλο ADM1 (Anaerobic Digestion Model No.1) της IWA, στο οποίο έγιναν ορισμένες τροποποιήσεις ενώ δομήθηκε κατάλληλα ώστε να επιτρέπει την προσομοίωση λειτουργίας αντιδραστήρων συνεχούς ροής και διαλείποντος έργου. Για την περιγραφή του φαινομένου αναγωγής του εξασθενούς χρωμίου σε τρισθενές χρησιμοποιήθηκε μια κινητική πρώτης τάξης ως προς τη συγκέντρωση της βιομάζας, όπως προτάθηκε από την Ε. Νύκταρη (2012) σε πρόσφατη μεταπτυχιακή εργασία της που έγινε στα πλαίσια του μεταπτυχιακού προγράμματος σπουδών "Επιστήμη και Τεχνολογία Υδατικών Πόρων", κατά την οποία εξετάστηκε πειραματικά η διεργασία της αναερόβιας βιολογικής αναγωγής εξασθενούς χρωμίου σε ύδατα. Επιπλέον, αξιοποιήθηκαν τα πειραματικά αποτελέσματα της εργασίας αυτής για τον προσδιορισμό μιας πιο σύνθετης κινητικής της διεργασίας αναγωγής του εξασθενούς χρωμίου που λαμβάνει υπόψη και τη συγκέντρωση του. Την ανάπτυξη του μαθηματικού ομοιώματος ακολούθησε η διεξαγωγή ανάλυσης ευαισθησίας κατά την οποία αξιολογήθηκε η επίδραση των παραμέτρων του μοντέλου στα αποτελέσματα των προσομοιώσεων. Τέλος, μετά από ρύθμιση παραμέτρων του μοντέλου (calibration) πραγματοποιήθηκαν μια σειρά από προσομοιώσεις για την αναερόβια αναγωγή εξασθενούς χρωμίου σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου και τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με πειραματικές μετρήσεις από αντίστοιχη εφαρμογή με στόχο τον έλεγχο της ακρίβειας των αποτελεσμάτων του μοντέλου. Τα βασικά συμπεράσματα που προκύπτουν από την παρoύσα εργασία είναι η επιτυχής προσομοίωση της λειτουργίας συστημάτων αναερόβιας επεξεργασίας για την απομάκρυνση εξασθενούς χρωμίου από το μαθηματικό ομοίωμα που αναπτύχθηκε και η ανάγκη περεταίρω διερεύνησης του μηχανισμού και της αντιστοιχης κινητικής που περιγράφει τη διεργασία αναγωγής του εξασθενούς χρωμίου σε τρισθενές από τους μικροοργανισμούς.

Chromium is a chemical element which occurs in the environment primarily in two valence states, trivalent chromium (Cr III) and hexavalent chromium (Cr VI). In it's trivalent state, no negative impact has been shown on exposed living organisms. On the contrary, in it's hexavalent state, chromium is a highly toxic agent which has been shown to be carcinogenic and mutagenic. Although most chromium compounds are relatively insoluble, hexavalent chromium is a very soluble compound which can be found dissolved in water bodies. Given the hazardous nature of hexavalent chromium, employing processes for the treatment of chromium polluted water bodies is of particular importance. Biological treatment methods for the removal of hexavalent chromium from water have been proved to be very efficient. Experimental applications of the activated sludge process under anaerobic conditions for the treatment of water have achieved complete removal of hexavalent chromium. The goal of this study was to develop a mathematical model for the simulation of chromium removal in anaerobic biological water treatment systems. Modelling of anerobic digestion processes was based on the ADM1 (Anaerobic Digestion Model No.1) structure with some minor modifications. The model was structured properly in order to allow both Sequencing Batch Reactor and Continuous Stirred-Tank Reactor configuration implementations. Modelling of the hexavalent chromium reduction process was based on a first-order reaction kinetics equation with respect to the concentration of biomass, as proposed by E. Nyktari (2012) in a recent experimental study on the biological removal of Cr(VI) from water under anaerobic conditions. Furthermore, based on experimental results from the afformentioned study by E. Nyktari, an efford was made to determine a more accurate rate equation of chromium reduction with respect to chromium concentration. Once the model was developed, a sensitivity analysis was conducted in order to determine and evaluate the impact of the model parameters on the model output variables. Finally, the model was calibrated and a series of simulations were performed on the anaerobic biological reduction of hexavalent chromium in a batch reactor. The results were compared to experimental data from similar experimental application in order to evaluate the model's abilities to produce accurate results. The main conclusions derived from this study are the model's ability to produce satisfactory results which indicates that the development of the model was succesful, and the need for further research on the kinetics of hexavalent chromium reduction by microorganisms under anaerobic conditions.