Διερεύνηση της επίδρασης του νιτρώδους αζώτου στη βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου σε σύστημα επεξεργασίας στραγγιδίων μέσω νιτρωδώ

Φραγκισκάτος, Γεράσιμος; Fragkiskatos, Gerasimos

dc.contributor.author	Φραγκισκάτος, Γεράσιμος	el
dc.contributor.author	Fragkiskatos, Gerasimos	en
dc.date.accessioned	2018-03-07T11:02:11Z
dc.date.available	2018-03-07T11:02:11Z
dc.date.issued	2018-03-07
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/46656
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.8130
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υδατικών Πόρων”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου	el
dc.subject	Αναχαίτιση πολυφωσφορικών βακτηρίων	el
dc.subject	Νιτρώδες Άζωτο	el
dc.subject	Επίδραση του νιτρώδους αζώτου στα PAOs	el
dc.subject	Μαθηματική προσομοίωση	el
dc.subject	Effect of nitrite on aerobic phosphate uptake	en
dc.subject	FNA inhibition	en
dc.subject	Modeling the effect of nitrite on PAOs	en
dc.subject	EBPR	en
dc.subject	PAOs cultivation	el
dc.title	Διερεύνηση της επίδρασης του νιτρώδους αζώτου στη βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου σε σύστημα επεξεργασίας στραγγιδίων μέσω νιτρωδώ	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	ΥΓΕΙΟΝΟΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/26a63f776539f3ddf1ee9ac84f9fd1ca604076f4
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-07-14
heal.abstract	Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί η διερεύνηση της επίδρασης του νιτρώδους αζώτου στον ρυθμό αερόβιας δέσμευσης φωσφόρου από τα πολυφωσφορικά βακτήρια με στόχο την εφαρμογή των αποτελεσμάτων σε ένα σύστημα επεξεργασίας στραγγιδίων αφυδάτωσης που προκύπτουν από την γραμμή της ιλύος σε μια εγκατάσταση επεξεργασίας λυμάτων. Το ρεύμα των στραγγίδιων που προκύπτει από την αφυδάτωση σταθεροποιημένης ιλύος μέσω αναερόβιας χώνευσης, λόγω των υψηλών φορτίων αζώτου και φωσφόρου που περιέχει αυξάνει κατά την επανακυκλοφορία του, σημαντικά το φορτίο των θρεπτικών συστατικών στον βιολογικό αντιδραστήρα. Οι ακραίες συνθήκες που είναι δυνατόν να παρουσιαστούν σε μια τέτοια περίπτωση δημιουργούν την ανάγκη επεξεργασίας των στραγγιδίων πριν την παροχέτευση τους στην είσδοδο μιας εγκατάστασης επεξεργασίας λυμάτων. Σε τέτοιες περιπτώσεις, μέθοδοι βιολογικής απομάκρυνσης θρεπτικών λόγω των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζουν κερδίζουν συνεχώς έδαφος και τον τελευταίο καιρό αποτελούν αντικείμενο έρευνας με στόχο την βελτιστοποίηση της εφαρμογής τους. Διάφορα συστήματα πραγματικής κλίμακας έχουν προταθεί και λειτουργούν για την επεξεργασία στραγγιδίων. Στα περισσότερα από αυτά η απομάκρυνση του φωσφόρου γίνεται βιολογικά με ταυτόχρονη βιολογική απομάκρυνση αζώτου μέσω νιτρωδοποίησης-απονιτρωδοποίησης. Η παρουσία νιτρώδους αζώτου που προκύπτει από την πλήρη οξείδωση της αμμωνίας σε νιτρώδη σε ένα τέτοιο σύστημα μπορεί να επηρεάσει την ομαλή λειτουργία της βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου αφού το νιτρώδες άζωτο αποτελεί αναχαιτιστικό παράγοντα για τα πολυφωσφορικά βακτήρια. Για την επίτευξη των στόχων της παρούσας διερεύνησης κρίθηκε σκόπιμη η ανάπτυξη καλλιέργειας πολυφωσφορικών βακτηρίων έτσι ώστε, μέσω ενός συνόλου πειραμάτων να διερευνηθεί η επίδραση του νιτρώδους αζώτου στην εν λόγω καλλιέργεια. Για τον παραπάνω σκοπό χρησιμοποιήθηκε αντιδραστήρας διαλείποντος έργου εναλλασσόμενων φάσεων λειτουργίας (SBR) που λειτούργησε την περίοδο Οκτώβριος 2016 – Μάιος 2017 στο εργαστήριο υγειονομικής τεχνολογίας της σχολής πολιτικών μηχανικών του ΕΜΠ. Η λειτουργία του αντιδραστήρα SBR χωρίζεται σε δύο επιμέρους φάσεις. Κατά την πρώτη φάση λειτουργίας λόγω ελλιπούς σχεδιασμού του συστήματος δεν ήταν δυνατή η επίτευξη της διεργασίας της βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου από το σύστημα. Οι λόγοι της παραπάνω αστοχίας συνοψίζονται στην αδυναμία ελέγχου της μεταβολής του pH σε εύρη τιμών που δεν επιτρέπουν την ανάπτυξη πολυφωσφορικών βακτηρίων (pH<6,5 και pH>8,5) αλλά και στην υψηλή συγκέντρωση ευκολοδιασπάσιμου οργανικού φορτίου (CODδιαλυτό>400 mg/L) κατά την έναρξη του αναερόβιου κύκλου λειτουργίας. Τα δύο παραπάνω προβλήματα αντιμετωπίστηκαν στην δεύτερη φάση λειτουργίας του συστήματος μέσω εφαρμογής δύο ημερήσιων κύκλων λειτουργίας αντί ενός στην πρώτη φάση. Ο νέος σχεδιασμός είχε σαν αποτέλεσμα το οργανικό φορτίο κατά την έναρξη του αναερόβιου κύκλου λειτουργίας του συστήματος να είναι περίπου το μισό (2 ημερήσιοι αναερόβιοι κύκλοι αντί ενός του αρχικού σχεδιασμού) ενώ μείωσε σημαντικά το εύρος διακύμανσης της τιμής του pH το οποίο κυμαινόταν πλέον σε τιμές 7,8<pH<8,2. Η τροφοδοσία του συστήματος SBR γινόταν με συνθετικά λύματα με την σύσταση τους να περιγράφεται λεπτομερώς στο κεφάλαιο 3. Κατά την έναρξη λειτουργίας του αντιδραστήρα SBR χρησιμοποιήθηκε βιομάζα από την εγκατάσταση επεξεργασίας λυμάτων της Ψυτάλλειας. Στην πρώτη φάση λειτουργίας λόγω των αστοχιών που αναφέρθηκαν νωρίτερα δεν ήταν δυνατή η εκτέλεση πειραμάτων διερεύνησης. Στην δεύτερη φάση και αφού στο σύστημα επιτεύχθηκαν σταθερές συνθήκες ξεκίνησε η εκτέλεση batch πειραμάτων ώστε να πραγματοποιηθούν οι στόχοι της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Για τα batch πειράματα χρησιμοποιήθηκαν ως βιοαντιδραστήρες 3 περιέκτες εργαστηρίου στους οποίους γινόταν πρόσθεση 560 mL ανάμεικτου υγρού στον κάθε έναν από τον αντιδραστήρα SBR. Στον πρώτο βιοαντιδραστήρα γινόταν το πείραμα Control όπου υπολογιζόταν ο ρυθμός αερόβιας δέσμευσης φωσφόρου από την βιομάζα απουσία τοξικής ουσίας ενώ στους άλλους δύο γινόταν πρόσθεση κατάλληλης ποσότητα διαλύματος νιτρώδους νατρίου (NaNO2) ώστε η συγκέντρωση νιτρώδους αζώτου να είναι κάθε φορά η επιθυμητή. Ο δεύτερος και ο τρίτος βιοαντιδραστήρας είχαν την ίδια συγκέντρωση νιτρώδους αζώτου έτσι ώστε να ελεγχθεί η επαναληψιμότητα των αποτελεσμάτων. Λόγω της διεργασίας της νιτροποίησης εντός των βιοαντιδραστήρων του batch πειράματος το νιτρώδες άζωτο οξειδωνόταν σύντομα σε νιτρικό μειώνοντας την συγκέντρωση του νιτρώδους αζώτου με αποτέλεσμα να μην διατηρούνται σταθερές συνθήκες στο σύστημα. Για την αντιμετώπιση του παραπάνω προβλήματος, μια ημέρα πριν την εκτέλεση του batch πειράματος, γινόταν αντίστοιχο πείραμα υπολογισμού του ρυθμού οξείδωσης του νιτρώδους αζώτου σε νιτρικό. Τα αποτελέσματα του εν λόγω πειράματος χρησιμοποιούνταν στη συνέχεια στο κύριο batch πείραμα όπου ανά τακτά χρονικά διαστήματα γινόταν προσθήκη κατάλληλης ποσότητας πυκνού διαλύματος NaNO2 ώστε η συγκέντρωση του νιτρώδους νατρίου στους αντιδραστήρες τους πειράματος να διατηρείται όσο το δυνατόν περισσότερο σταθερή και κοντά στην εξεταζόμενη τιμή. Τα πειράματα διερεύνησης έγιναν σε 2 σειρές. Η πρώτη έγινε για τιμή pH σταθερή και ίση με 8 και περιελάμβανε 6 πειράματα με εξεταζόμενες συγκεντρώσεις νιτρώδους αζώτου 10 mg/L, 25 mg/L, 50 mg/L, 150 mg/L, 250 mg/L, και 300 mg/L. Στη δεύτερη σειρά τα πειράματα που εκτελέστηκαν ήταν 4 σε συγκεντρώσεις νιτρώδους αζώτου 5 mg/L, 10 mg/L, 25mg/L και 50 mg/L και τιμή pH ίση με 7. Η μέγιστη αναχαίτιση των πολυφωσφορικών βακτηρίων εντοπίστηκε σε συγκέντρωση νιτρώδους αζώτου 300 mg/L στην πρώτη σειρά πειραμάτων ενώ στην δεύτερη στα 50 mg/L. Ο λόγος της παραπάνω διαφοροποίησης είναι η συγκέντρωση του ελεύθερου νιτρώδους οξέος (FNA) το οποίο αποτελεί μιας από τις δύο μορφές του νιτρώδους αζώτου (η δεύτερη είναι τα νιτρώδη ΝΟ2) που εμφανίζεται σε ένα διάλυμα. Το FNA αποτελεί τον κύριο αναχαιτιστικό παράγοντα των πολυφωσφορικών βακτηρίων με την συγκέντρωση του να αυξάνεται όσο μικρότερη είναι η τιμή του pH για σταθερή συγκέντρωση νιτρώδους αζώτου. Ένα σύνολο batch πειραμάτων πραγματοποιήθηκαν επίσης όποτε ήταν απαραίτητο για τον έλεγχο της κατάστασης της βιομάζας του αντιδραστήρα SBR αλλά και για την διερεύνηση πιθανής αναχαίτισης των πολυφωσφορικών λόγω υψηλής συγκέντρωσης διαλυτών στερεών στους βιοαντιδραστήρες. Τέλος, βάσει των αποτελέσματων που προέκυψαν για τις δύο σειρές πειραμάτων έγινε προσπάθεια μαθηματικής προσομοίωσης εκτίμησης του βαθμού αναχαίτισης των πολυφωσφορικών βακτηρίων όταν αυτά εκτεθούν σε διάφορες συγκεντρώσεις νιτρώδους αζώτου.	el
heal.abstract	The main purpose of this postgraduate study is to examine the effect of nitrite and free nitrous acid on the enhanced biological phosphorous removal process in a reactor treats reject water produced from the anaerobic digestion of sewage sludge and the subsequent dewatering process. The effective management of reject water that produced by the stabilization of sewage sludge is therefore important because the recycling of this liquid stream to the inlet of the WWTP can increase the nutrient loading by 10–30%. This fact can lead to a high nutrient concentration in treated effluents. The side stream treatment of reject water is an attractive option, which can relieve the wastewater treatment line from nutrient loads. Nitrogen removal via nitrite is a more effective process because it requires lower quantities of external carbon source, has lower oxygen requirements and decreases sludge production compared with conventional nitrification/denitrification. Therefore, in the processes with nitrogen removal via nitrite pathway, nitrite accumulation likely has an adverse impact on biological phosphorous removal. Previous studies demonstrated that a certain amount of nitrite could inhibit aerobic P-uptake of PAOs, even leading to deterioration of biological P removal. Presently, the protonated species of nitrite, free nitrous acid (FNA) rather than nitrite is likely the actual inhibitor on the P-uptake by PAOs. In order to examine the effect of nitrite and free nitrous acid on EBPR a lab-scale sequencing batch reactors (SBR) fed with synthetic wastewater (composition given in chapter 3) was used to create PAOs cultivation. The seed sludge was taken from the recycling sludge of Psytaleia wastewater treatment plant in Athens, which utilizes a typical anaerobic–anoxic–aerobic process to treat municipal wastewater. As a result of the sequence mentioned above the WWTP of Psytaleia performs biological nutrients removal as well as ensures the absence of filamentous bacteria in the bioreactors. Biomass from SBR bioreactor was used to carry out batch experiments after a stable performance was achieved. SBR with a working volume of 10 L was operated from October 2016 to May 2017. The experimental period was divided in two successive stages. During the first stage EBPR process could not be achieved. The main reason of this failure was the high range of the pH value (pH<6,5 και pH>8,5) and the high COD loading (CODsoluble>400 mg/L) at the beginning of anaerobic phase. At the second stage which lasted from 1/12/2016 to 25/6/2017, after a few days of operation the EBPR process was performed. The 2 daily operation cycles that selected (instead of 1 at the first stage) led to PAOs cultivation growth. For batch experiments, sludge was taken from SBR at the end of the anaerobic stage and divided in three bioreactors with a working volume of 560 mL each. In the first bioreactor no inhibitory factor (NO2-N) was used in order to specify the neutral aerobic P-uptake. The initial NO2-N concentration in the other two bioreactors was controlled by adding different amount of sodium nitrite to examine the effect of nitrite on aerobic phosphorus removal. In this study 6 batch experiments were conducted at a pH value of 8 and 4 at a pH value of 7. The concentrations of NO2-N were 10 mg/L, 25 mg/L, 50 mg/L, 150 mg/L, 250 mg/L, και 300 mg/L at the pH value of 8 and 5 mg/L, 10 mg/L, 25 mg/L, 50 mg/L at the pH value of 7. During the tests, pH was on-line controlled by adding 1M H2SO4 or 1M NaOH. The concentration of free nitrous acid (FNA) was calculated by the formula given below: FNA= C_(〖NO〗_2-N)/(K_a×〖10〗^pH ) where Ka was calculated by fitting the temperature T (0C) to the formula: K_a= e^(((-2300)/(273+T))) The results obtained from this study showed that full inhibition of EBPR was achieved at NO2 concentration of 300 mg/L at pH value of 8 and at NO2=50 mg/L at pH=7. The inhibition of polyphosphate bacteria can be described by monod kinetics with the formula given below: PUR=〖PUR〗_max× K_(〖NO〗_2-N)/(C_(〖NO〗_2-N)+ K_(〖NO〗_2-N) ) Where: CNO2-N is the examined concentration of NO2 and KNO2-N the concentration of NO2 that 50% of inhibition occurs. The value of KNO2-N is pH dependent and more research is needed for the above formula to completely describe the inhibition of poly-p bacteria caused by nitrite exposure. Modifications to the above formula with the free nitrous acid as the main inhibitory factor is concluded that can describe accurately the inhibition of poly-p bacteria caused by nitrite exposure.	en
heal.advisorName	Μαλαμής, Συμεών	el
heal.committeeMemberName	Μακρόπουλος, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Μαλαμής, Συμεών	el
heal.committeeMemberName	Ανδρεαδάκης, Ανδρέας	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	110 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true