Διερεύνηση της απομάκρυνσης κυανίου με την εφαρμογή συστήματος βιοαντιδραστήρα μεμβρανών

Μενδρινού, Παναγιώτα; Mendrinou, Panagiota

dc.contributor.author	Μενδρινού, Παναγιώτα	el
dc.contributor.author	Mendrinou, Panagiota	en
dc.date.accessioned	2016-10-05T08:46:20Z
dc.date.available	2016-10-05T08:46:20Z
dc.date.issued	2016-10-05
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/43742
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.5947
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υδατικών Πόρων”	el
dc.rights	Default License
dc.subject	Κυάνιο	el
dc.subject	Βιοαντιδραστήρας μεμβρανών	el
dc.subject	Υγρά απόβλητα	el
dc.subject	Τοξικότητα	el
dc.subject	Βιοχημεία κυανίου	el
dc.subject	Cyanide	en
dc.subject	MBR (Membrane Bio-Reactors)	el
dc.subject	Wastewater	el
dc.subject	Toxicity	el
dc.subject	Biochemistry of cyanide	el
dc.title	Διερεύνηση της απομάκρυνσης κυανίου με την εφαρμογή συστήματος βιοαντιδραστήρα μεμβρανών	el
heal.type	masterThesis
heal.secondaryTitle	Investigation of cyanide wastewater treatment using Membrane Bio-Reactors (MBR)	en
heal.classification	Περιβαλλοντική Τεχνολογία	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-06-30
heal.abstract	Η χημική ένωση που αποτελείται από ένα άτομο αζώτου και ένα άτομο άνθρακα, συνδεδεμένα μεταξύ τους με τριπλό δεσμό ονομάζεται κυάνιο (C ≡ N). Έχει την ιδιότητα να ενώνεται με άλλα στοιχεία, σχηματίζοντας ενώσεις (άλατα και σύμπλοκα), όπως το υδροκυάνιο (ATSDR, 2006; Dash et al., 2009). Στη φύση συναντάται σε χαμηλές συγκεντρώσεις λόγω της δράσης συγκεκριμένων βακτηρίων και αλγών, της αποσύνθεσης εντόμων και της σήψης καρπών που καταναλώνουμε ακόμη και σε καθημερινή βάση (π.χ. αμύγδαλα, βερίκοκα) (ATSDR, 2006; Dash et al., 2009; Dubey and Holmes, 1995). Η συσσώρευση υψηλών συγκεντρώσεων κυανίου σε υδάτινους αποδέκτες, στο έδαφος, ακόμη και στην ατμόσφαιρα οφείλεται στην ανθρώπινη δραστηριότητα και συγκεκριμένα στη βιομηχανική δραστηριότητα. Για παράδειγμα, κατά τη μεταλλουργική διαδικασία και την παραγωγή ή καύση πετροχημικών παράγονται σημαντικές ποσότητες χημικών ενώσεων κυανίου (Dubey and Holmes, 1995; Ebbs, 2004). Όταν η συγκέντρωση των κυανιούχων ενώσεων αυξηθεί σημαντικά, αποτελεί τοξικό παράγοντα, τόσο για τον άνθρωπο και τα ζώα, όσο και για την πλειονότητα των μικροοργανισμών (ATSDR, 2006; Dash et al., 2009; Dubey and Holmes, 1995). Ενδεικτικά, ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας (WHO) έχει θεσπίσει ανώτατο όριο συγκέντρωσης κυανίου στο πόσιμο νερό τα 70 μg/L. Η ευρωπαϊκή Οδηγία 98/83/EΚ σχετικά με την ποιότητα του νερού ανθρώπινης κατανάλωσης έχει θεσπίσει ανώτατο όριο συγκέντρωσης κυανίου τα 50 μg/L. Η τοξικότερη μορφή κυανίου είναι το υδροκυάνιο, ένωση εξαιρετικά πτητική, με σημείο βρασμού τους 25,6°C (Dash et al., 2009; www.chem.uoa.gr). Παρά το γεγονός ότι η δράση των περισσότερων μικροοργανισμών αναχαιτίζεται από την ύπαρξη κυανιούχων ενώσεων, υπάρχουν μικροοργανισμοί που βιοαποδομούν τις κυανιούχες ενώσεις, μέσω συγκεκριμένων βιοχημικών οδών. Οι βιολογικές μέθοδοι απομάκρυνσης κυανίου από τα υγρά απόβλητα βασίζονται σε αυτήν ακριβώς την ιδιότητα των μικροοργανισμών να μεταβολίζουν τις κυανιούχες ενώσεις. Μάλιστα, η εφαρμογή βιολογικών μεθόδων με στόχο την «κατανάλωση» των κυανιούχων ενώσεων υπερτερεί σε πολλά σημεία έναντι των χημικών μεθόδων. Πέραν του ότι αποτελούν τεχνολογία φιλική προς το περιβάλλον, οι βιολογικές μέθοδοι δεν είναι εκλεκτικές ως προς το είδος της χημικής ένωσης που απομακρύνουν, σε αντίθεση με τις χημικές. Επίσης, έχουν χαμηλό λειτουργικό κόστος, μη τοξικά παραπροϊόντα, καλή προσαρμογή σε υδραυλικές αιχμές και μπορούν να επιτύχουν υψηλή ποιότητα εκροής. Το κύριο μειονέκτημα των βιολογικών μεθόδων αφορά στην αδυναμία εφαρμογής τους σε περιπτώσεις πολύ υψηλής συγκέντρωσης κυανίου στα απόβλητα (Botz et al., 2005; Dash et al., 2009; Dubey and Holmes, 1995; Xuewen et al., 2013). Μια νέα τεχνολογία που εφαρμόζεται τα τελευταία χρόνια για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων είναι τα συστήματα βιοαντιδραστήρων μεμβρανών (MBR – Membrane Bio-Reactors), τα οποία συνδυάζουν το συμβατικό σύστημα ενεργού ιλύος με τη διήθηση διαμέσου μεμβρανών μικροδιύλισης (MF) ή υπερδιύλισης (UF) για το διαχωρισμό της επεξεργασμένης εκροής από τη βιομάζα (Van der Roest et al., 2002). Η βιολογική απομάκρυνση κυανίου με χρήση συστημάτων MBR είναι ακόμη σε ερευνητικό στάδιο. Βασικός στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση της βιολογικής απομάκρυνσης κυανίου από υγρά απόβλητα με την εφαρμογή συστήματος βιοαντιδραστήρα μεμβρανών (MBR). Για το λόγο αυτό εξετάσθηκε η λειτουργία πιλοτικού συστήματος MBR, αποτελούμενο από δύο παράλληλες γραμμές επεξεργασίας (μόνο αερόβια – MBR1 και συνδυασμός αερόβιας-ανοξικής – MBR2) με εισροή συνθετικών αστικών υγρών αποβλήτων, καθώς και υγρών αποβλήτων που περιέχουν κυάνιο σε συγκέντρωση 1 mg/L. Στο πιλοτικό αυτό σύστημα εξετάσθηκε η πορεία έμφραξης των μεμβρανών πριν και μετά την προσθήκη κυανίου στα υγρά απόβλητα, οι μηχανισμοί απομάκρυνσης κυανίου σε αυτό και η δραστηριότητα της βιομάζας. Η λειτουργία του πιλοτικού συστήματος διήρκεσε 143 ημέρες, ενώ η προσθήκη του ελεύθερου κυανίου πραγματοποιήθηκε την 108η ημέρα λειτουργίας. Επίσης, προσδιορίσθηκε η τοξικότητα του κυανίου στη δραστηριότητα της βιομάζας, μέσω πειραμάτων ασυνεχούς λειτουργίας (batch) σε εγκλιματισμένη και μη εγκλιματισμένη βιομάζα. Η αναχαίτιση της δραστηριότητας των μικροοργανισμών σε μη εγκλιματισμένη βιομάζα υπολογίσθηκε για συγκεντρώσεις ελεύθερου κυανίου 0,85 mg/L και 8,5 mg/L. Από την παρακολούθηση του πιλοτικού συστήματος MBR προέκυψαν τα παρακάτω βασικά συμπεράσματα: • Η συγκέντρωση ελεύθερου κυανίου στα εισερχόμενα στο σύστημα υγρά απόβλητα προσδιορίσθηκε σε 0,941 mg/L, με συγκέντρωση στην έξοδο των MBR1 και MBR2 0,120 και 0,102 mg/L, αντίστοιχα. Η απομάκρυνση κυανίου για το MBR1 υπολογίστηκε σε 88,3% και για το MBR2 σε 90,1%. Επίσης, η βιοαποδόμηση του ελεύθερου κυανίου ήταν 87,5% για το πρώτο και 89,5% για το δεύτερο σύστημα, αντίστοιχα. Το ποσοστό ελεύθερου κυανίου στην υγρή φάση του ανάμικτου υγρού είναι μεγαλύτερο από 55% και στους δύο βιοαντιδραστήρες, ενώ στη στερεή φάση η συγκέντρωση κυανίου του MBR2 είναι σχεδόν διπλάσια σε σύγκριση με του MBR1 (MBR1: 55 μg CN/gr SS και MBR2: 99 μg CN/gr SS στην αερόβια και 119 μg CN/gr SS στην ανοξική). Δεν παρατηρήθηκε πτητικοποίηση του κυανίου στο πιλοτικό σύστημα MBR. • Ο μέγιστος ρυθμός κατανάλωσης ελεύθερου κυανίου πραγματοποιήθηκε υπό ανοξικές συνθήκες (sNUR), δηλαδή στο MBR2, και προσδιορίσθηκε σε 9,84 (μg FCN/gr VSS/h). Επίσης, οι ρυθμοί κατανάλωσης ελεύθερου κυανίου κατά τις δοκιμές AUR και sOUR του MBR2 είναι σχεδόν διπλάσιοι σε σύγκριση με του MBR1. Αυτό δείχνει ότι η εναλλαγή αερόβιων – ανοξικών συνθηκών ευνοεί την απομάκρυνση κυανίου. • Και οι δυο γραμμές επεξεργασίας MBR1 και MBR2 ήταν το ίδιο αποτελεσματικές ως προς την απομάκρυνση ολικού COD, τόσο πριν, όσο και μετά την προσθήκη κυανίου στα υγρά απόβλητα (97% - 98%). Παρόλα αυτά, από τις δοκιμές δραστηριότητας της ετεροτροφικής βιομάζας των βιοαντιδραστήρων προέκυψε αναχαίτιση του μέγιστου ρυθμού κατανάλωσης οξυγόνου κατά 26% στο MBR1 και 9,7% στο MBR2. • Η απόδοση των δύο γραμμών επεξεργασίας του πιλοτικού συστήματος MBR ως προς την απομάκρυνση αμμωνιακού αζώτου δεν εμφάνισε σημαντική μεταβολή μετά την προσθήκη ελεύθερου κυανίου στα εισερχόμενα υγρά απόβλητα και κυμάνθηκε από 97,5% έως 99,6%. Αντίθετα, έπειτα από την προσθήκη κυανίου, η απόδοση του MBR1 ως προς την απομάκρυνση οργανικού αζώτου μειώθηκε κατά 66% (από 85,3% σε 28,9%) και του MBR2 κατά 80% (από 64,5% σε 12,7%). Έτσι, παρουσιάστηκε μείωση και στην απόδοση του MBR1 ως προς την απομάκρυνση ολικού αζώτου κατά 17% (από 54,1% σε 44,8%) και του MBR2 κατά 13% (από 59,5% σε 52,0%). • Από τα αποτελέσματα των μικροβιολογικών αναλύσεων FISH προέκυψε η ύπαρξη σημαντικών πληθυσμών Eubacteria (α-, β- και γ- Proteobacteria), Archaea και Pseudomonas spp. στα MBR1 και MBR2. Η βασική πληθυσμιακή διαφοροποίηση μεταξύ των δύο γραμμών προέκυψε λόγω της παρουσίας των Bacillus spp. στη γραμμή MBR2, σε ποσοστό 23% του συνολικού βακτηριακού πληθυσμού. Αντίθετα, στο MBR1 το ποσοστό των Bacillus spp. ήταν μόνο 8%. Οι μικροοργανισμοί Bacillus spp. έχουν τη δυνατότητα να βιοαποδομούν το κυάνιο. Η καλύτερη απόκριση του MBR2 ως προς την κατανάλωση κυανίου πιθανώς να οφείλεται στην παρουσία περισσότερων μικροοργανισμών Bacillus spp.. • Μετά την προσθήκη κυανίου στα εισερχόμενα υγρά απόβλητα ο ρυθμός έμφραξης των μεμβρανών δεν παρουσίασε σημαντική μεταβολή, τόσο στο σύστημα μεμβρανών κοίλων ινών (MBR1), όσο και στο σύστημα επίπεδων μεμβρανών (MBR2). Από τις batch δοκιμές τοξικότητας του ελεύθερου κυανίου σε μη εγκλιματισμένη βιομάζα αστικών υγρών αποβλήτων προκύπτουν τα εξής: • Τα ποσοστά αναχαίτισης της νιτροποιητικής ικανότητας των μικροοργανισμών προέκυψαν 80,5% έως 98,3%, στην περίπτωση της προσθήκης 0,85 mg FCN/L. Τα αντίστοιχα ποσοστά για προσθήκη 8,5 mg FCN/L, κυμάνθηκαν από 83,8% έως 97,2%. Η αναχαίτιση της απονιτροποιητικής διαδικασίας από τους ετεροτροφικούς μικροοργανισμούς υπολογίσθηκε σε 73%, ύστερα από προσθήκη 0,85 mg FCN/L και σε περίπου 94%, ύστερα από την προσθήκη 8,5 mg FCN/L. Η αναχαίτιση της δράσης των αερόβιων ετεροτροφικών βακτηρίων κυμάνθηκε από 21,3% έως 64,6% για προσθήκη 0,85 mg FCN/L και από 49,4% έως 81,7% για προσθήκη 8,5 mg FCN/L. Από την σύγκριση των αποτελεσμάτων του πιλοτικού συστήματος εγκλιματισμένης βιομάζας και των batch δοκιμών τοξικότητας μη εγκλιματισμένης βιομάζας με προσθήκη 0,85 mg FCN/L φαίνεται ότι: • Στα batch πειράματα μη εγκλιματισμένης βιομάζας υπήρξε σημαντική αναχαίτιση των βιολογικών διεργασιών, με τη μέγιστη να παρατηρείται στους αυτοτροφικούς αερόβιους μικροοργανισμούς. Τη μικρότερη αναχαίτιση, η οποία είναι στατιστικά μη αξιόλογη, παρουσιάζει η ενδογενής αναπνοή. • Ο ρυθμός νιτροποίησης βελτιώνεται στην εγκλιματισμένη βιομάζα, με την αναχαίτισή του από 88% σε μη εγκλιματισμένη βιομάζα να μειώνεται σε 18% στο πιλοτικό σύστημα. • Η απονιτροποιητική διαδικασία, όχι μόνο δεν έχει υποστεί αναχαίτιση σε πιλοτική κλίμακα, αλλά έχει επιταχυνθεί κιόλας κατά 10%, μετά την προσθήκη ελεύθερου κυανίου στα εισερχόμενα υγρά απόβλητα. • Η ενδογενής αναπνοή δεν παρουσιάζει καμία στατιστικά σημαντική μεταβολή, ενώ τείνει να βελτιωθεί σε μεγαλύτερη κλίμακα, ύστερα από την προσθήκη κυανίου. • Η μικροσκοπική εξέταση με FISH έδειξε ότι στο πιλοτικό σύστημα MBR2 υπάρχει σημαντικά υψηλότερο ποσοστό Bacillus spp. (23%, έναντι 8% στο MBR1). Οι συγκεκριμένοι μικροοργανισμοί έχουν τη δυνατότητα να διασπούν το κυάνιο. Πιθανότατα η υψηλότερη απομάκρυνση κυανίου στο MBR2 οφείλεται στο υψηλότερο ποσοστό των μικροοργανισμών αυτών. • Η απόδοση του MBR1 ως προς την απομάκρυνση οργανικού αζώτου μειώθηκε κατά 66% και του MBR2 κατά 80%, γεγονός που οδήγησε και στη μείωση της απόδοσης του MBR1 ως προς την απομάκρυνση ολικού αζώτου κατά 17% και του MBR2 κατά 13%. Συγκεκριμένα, πριν την προσθήκη κυανίου στα υγρά απόβλητα, η συγκέντρωση οργανικού αζώτου σε αυτά ήταν 37 mg/L, ενώ στην έξοδο του MBR1 5,8 mg/L και του MBR2 22 mg/L. Μετά την προσθήκη κυανίου, η συγκέντρωση οργανικού αζώτου στην είσοδο ήταν 29 mg/L και στην έξοδο του MBR1 14 mg/L και του MBR2 27 mg/L. Η μείωση της απομάκρυνσης οργανικού αζώτου στο πιλοτικό MBR οφείλεται στην αναχαίτιση της υδρόλυσης του οργανικού αζώτου σε αμμωνιακό άζωτο, εξαιτίας της τοξικής επίδρασης του κυανίου στην αερόβια αυτοτροφική βιομάζα.	el
heal.advisorName	Μαλαμής, Συμεών-Αλέξανδρος	el
heal.committeeMemberName	Μαλαμής, Συμεών-Αλέξανδρος	el
heal.committeeMemberName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Μακρόπουλος, Χρήστος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	185 σ.
heal.fullTextAvailability	true