ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΝΙΤΡΩΔΟΠΟΙΗΣΗΣ ΚΑΙ ΑΝΟΞΙΚΗΣ ΟΞΕΙΔΩΣΗΣ ΤΗΣ ΑΜΜΩΝΙΑΣ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΛΥΜΑΤΩΝ

Ανδριανόπουλος, Αλέξανδρος

dc.contributor.author	Ανδριανόπουλος, Αλέξανδρος	el
dc.date.accessioned	2018-07-25T09:56:30Z
dc.date.available	2018-07-25T09:56:30Z
dc.date.issued	2018-07-25
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/47422
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.8614
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	νιτρωδοποίηση	el
dc.subject	άζωτο	el
dc.subject	προσομοίωση	el
dc.subject	επεξεργασία λυμάτων	el
dc.subject	ANNAMOX	en
dc.subject	nitrogen	en
dc.subject	simulation	en
dc.subject	nitration	en
dc.title	ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΝΙΤΡΩΔΟΠΟΙΗΣΗΣ ΚΑΙ ΑΝΟΞΙΚΗΣ ΟΞΕΙΔΩΣΗΣ ΤΗΣ ΑΜΜΩΝΙΑΣ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΛΥΜΑΤΩΝ	el
dc.contributor.department	ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΔΑΤΙΝΩΝ ΠΟΡΩΝ	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Επεξεργασία Λυμάτων	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-06-29
heal.abstract	Η συνεχής ανάπτυξη της τεχνολογίας σε όλους τους τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας έχει ως αποτέλεσμα την αναβάθμιση της ποιότητας ζωής, αλλά και την ταυτόχρονη παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων αποβλήτων. Τα υγρά λύματα στην πλειοψηφία τους, περιέχουν σημαντικές συγκεντρώσεις αζώτου, το οποίο είναι αναγκαίο να απομακρυνθεί καθώς αποτελεί έναν από τους κύριους ρύπους των υδάτινων και επιφανειακών αποδεκτών. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η διερεύνηση των βιοχημικών διεργασιών που σχετίζονται με τη δίαιτα του αζώτου, και πιο συγκεκριμένα τις διεργασίες αερόβιας και αναερόβιας οξείδωσης του αμμωνιακού αζώτου, αερόβιας και αναερόβιας οξείδωσης του νιτρώδους αζώτου, καθώς και τις διεργασίες αναγωγής του νιτρικού αζώτου σε ανοξικές συνθήκες. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκε μαθηματικό ομοίωμα, βασισμένο στο μοντέλο ASM1 της IWA, που περιγράφει τις παραπάνω διεργασίες, και τις διαδικασίες μεταβολισμού των μικροοργανισμών που είναι υπεύθυνα για αυτές. Στο πρόγραμμα που αναπτύχθηκε, διερευνάται ο ανταγωνισμός μεταξύ των διαφόρων οικογενειών μικροοργανισμών, και πως ο ανταγωνισμός αυτός μπορεί να επηρεάσει την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων και την αποδοτικότητα του συστήματος επεξεργασίας. Μέσω των αναλύσεων που πραγματοποιήθηκαν, μπορεί να γίνει εύκολα αντιληπτός ο τρόπο με τον οποίο κάθε μία κινητική, στοιχειομετρική παράμετρος του μοντέλου αλλά και κάθε λειτουργική παράμετρος του συστήματος επεξεργασίας, επηρεάζει τα τελικά αποτελέσματα καθώς και το ποιες είναι οι βέλτιστες τιμές για κάθε μία παράμετρο. Το πρόγραμμα προσομοίωσης που αναπτύχθηκε, δίνει στο χρήστη ένα μεγάλο εύρος επιλογών, καθώς έχει τη δυνατότητα να μεταβάλλει μία σειρά από παραμέτρους όπως εκείνος επιθυμεί. Του δίνει τη δυνατότητα να επιλέγει διαφορετικούς κύκλους λειτουργίας, διαφορετικές επικρατούσες συνθήκες μέσα στον αντιδραστήρα, να καθορίζει το χρόνο που θα διαρκεί η κάθε φάση λειτουργίας, να ρυθμίζει την τροφοδοσία του διαλυμένου οξυγόνου, τον όγκο του αντιδραστήρα, την ημερήσια παροχή κ.ά. Η εφαρμογή του μοντέλου, ρυθμίστηκε και επαληθεύτηκε με βάση πειραματικά αποτελέσματα από εργαστηριακής κλίμακας σύστημα. Η ρύθμιση έγινε με τέτοιο τρόπο ώστε τα αποτελέσματα των εφαρμογών του προγράμματος, να προσεγγίζουν με ακρίβεια τα πειραματικά αποτελέσματα. Αυτό αποτέλεσε και το βασικό σενάριο, πάνω στο οποίο βασίστηκαν οι διάφορες αναλύσεις που έγιναν. Στις εφαρμογές που έγιναν, μελετήθηκε η επίδραση των κινητικών και στοιχειομετρικών παραμέτρων του μοντέλου, και πώς η μεταβολή τους κατά ένα συγκεκριμένο ποσοστό, σταθερό σε όλες τις εφαρμογές, επηρεάζεται τις συγκεντρώσεις των μεταβλητών που σχετίζονται με τη δίαιτα του αζώτου. Οι μεταβλητές που μελετήθηκαν ήταν το αμμωνιακό άζωτο, το νιτρικό άζωτο, η συγκέντρωση των βακτηρίων που οξειδώνουν αερόβια το αμμωνιακό άζωτο, η V συγκέντρωση των βακτηρίων που οξειδώνουν αναερόβια το αμμωνιακό άζωτο, βακτηρίων που οξειδώνουν αερόβια το νιτρώδες άζωτο, καθώς και η συγκέντρωση των πτητικών αιωρούμενων στερεών μέσα στον αντιδραστήρα. Στη συνέχεια μελετήθηκε η επίδραση των λειτουργικών παραμέτρων του συστήματος επεξεργασίας και η επίδραση τους στις παραπάνω μεταβλητές. Οι κυριότερες παράμετροι που εξετάστηκαν ήταν ο χρόνος παραμονής στερεών, ο αριθμός των κύκλων λειτουργίας του αντιδραστήρα SBR, το σημείο λειτουργίας του διαλυμένου οξυγόνου, η ογκομετρική φόρτιση αζώτου και η ογκομετρική φόρτιση άνθρακα. Τα βασικότερα συμπεράσματα που εξήχθησαν από τις παραπάνω αναλύσεις είναι: − Οι σταθερές ημικορεσμού ως προς το δότη ηλεκτρονίων έχουν από μικρή έως μέτρια επίδραση στη συμπεριφορά του μαθηματικού ομοιώματος. Παρόλα αυτά απαιτείται προσεκτικός καθορισμός της παραμέτρου KNO2,NOB καθώς μπορεί να αλλάξει τις ισορροπίες εντός του αντιδραστήρα. − Οι σταθερές ημικορεσμού που σχετίζονται με τον αποδέκτη ηλεκτρονίων επηρεάζουν σημαντικά τα τελικά αποτελέσματα και για το λόγο αυτό απαιτείται λεπτομερής προσδιορισμός τους. Ιδιαίτερα οι παράμετροι ΚΟ,ΑΟΒ και ΚΝΟ2,ΑΝ μπορούν να οδηγήσουν σε φαινόμενα αναχαίτισης λόγω παρουσίας ελεύθερης αμμωνίας. − Οι μέγιστοι ειδικοί ρυθμοί ανάπτυξης διαδραματίζουν έναν από τους πιο σημαντικούς ρόλους στη διαμόρφωση των αποτελεσμάτων του μοντέλου. Καθορίζουν ποιο είδος μικροοργανισμών θα αποκτήσει ανταγωνιστικό πλεονέκτημα έναντι των υπολοίπων, μεταβάλουν τους συσχετισμούς όσον αφορά την ανάπτυξη και τη δράση των μικροοργανισμών και διαμορφώνουν τις τελικές συγκεντρώσεις των διαφόρων ρύπων. − Οι συντελεστές φθοράς είναι από τις παραμέτρους οι οποίες επηρεάζουν περισσότερο τα αποτελέσματα του μοντέλου και για το λόγο αυτό είναι αναγκαίο να καθορίζονται με προσοχή, καθώς μπορεί να οδηγήσουν σε πλήρη αναχαίτιση την εκάστοτε ομάδα μικροοργανισμών ή να δώσουν το πλεονέκτημα σε κάποια άλλη. − Οι συντελεστές κορεσμού που αναφέρονται στην αναχαίτιση της αυτοτροφικής βιομάζας λόγω παρουσίας ελεύθερης αμμωνίας, Ki,NH3,AOB και Ki,NH3,NOB, έχουν σημαντική επίδραση στην ανάπτυξη των αυτοτροφικών βακτηρίων, καθώς είναι αυτοί που καθορίζουν για ποια συγκέντρωση ελεύθερης αμμωνίας θα επέλθει αναχαίτιση. − Όσον αφορά τις παραμέτρους που σχετίζονται με τη διαθέσιμη αλκαλικότητα, είναι αναγκαίος ο λεπτομερής καθορισμός της παραμέτρου KALK,AOB καθώς μπορεί να οδηγήσει σε αδυναμία νιτροποίησης και σε φαινόμενα αναχαίτισης του συνόλου των βιοχημικών διεργασιών. − Ο χρόνος παραμονής στερεών επηρεάζει αποφασιστικά τα τελικά αποτελέσματα VI σημαντικό είναι το πλεονέκτημα που έχει η ΑΝΑΜΜΟΧ βιομάζας λόγω της βιομεγέθυνσης. − Ο αριθμός των κύκλων λειτουργίας του βιοαντιδραστήρα SBR, έχει μέτρια επίδραση στις συγκεντρώσεις ρύπων και μικροοργανισμών. Ιδιαίτερη προσοχή απαιτείται ώστε να επιτυγχάνεται επαρκής αραίωση ώστε να αποφεύγονται φαινόμενα αναχαίτισης. Πριν τη διαδικασία επιλογής των κύκλων λειτουργίας, είναι αναγκαίο να καθοριστεί το επιθυμητό επίπεδο επεξεργασίας και να ληφθούν υπόψη ζητήματα τα οποία σχετίζονται με τις γενικές επικρατούσες συνθήκες που είναι ανεξάρτητες με την επεξεργασία. − Το σημείο ρύθμισης του διαλυμένου οξυγόνου αποτελεί μία από τις σημαντικότερες παραμέτρους, καθώς καθορίζει τους ρυθμούς ανάπτυξης τόσο των αερόβιων, όσο και των αναερόβιων βακτηρίων. Απαιτείται προσοχή κατά την επιλογή της ποσότητας οξυγόνου που διοχετεύεται στον αντιδραστήρα ώστε να αποφευχθούν φαινόμενα αναχαίτισης λόγω παρουσίας ελεύθερης αμμωνίας. − Ο ογκομετρικός ρυθμός φόρτισης αζώτου (vNLR), έχει πολύ σημαντική επίδραση στα τελικά αποτελέσματα. Υψηλές φορτίσεις αζώτου ευνοούν φαινόμενα αναχαίτισης και για το λόγο αυτό είναι απαραίτητος ο προσεκτικός σχεδιασμός του συστήματος επεξεργασίας. − Ο ογκομετρικός ρυθμός φόρτισης άνθρακα (vOLR), δε φαίνεται να επηρεάζει σημαντικά τις συγκεντρώσεις ρύπων που σχετίζονται με το άζωτο. Από την άλλη μεριά η επίδρασή του στην ετεροτροφική βιομάζα και στη συγκέντρωση των πτητικών αιωρούμενων στερεών είναι μεγάλη.	el
heal.abstract	The continuous development of technology in all areas of human activity results to the upgrading the quality of life and simultaneously generating large quantities of waste. Most of the liquid waste water, contains significant nitrogen quantities, which need to be removed as it is one of the main pollutants of water and surface acceptors. The aim of the present dissertation is to investigate the biochemical processes related to the nitrogen diet, namely the aerobic and anaerobic oxidation of ammonium nitrogen, aerobic and anaerobic oxidation of nitrous nitrogen as well as the processes of reduction of nitric nitrogen under anoxic conditions. For this purpose, a mathematical model based on the IWA model ASM1 was developed, describing the above processes and the metabolic procedures of the microorganisms who are responsible for the nitrous removal. The program that was developed, explores the competition between different species of micro-organisms, and how this competition can affect the treatment of wastewater and the efficiency of the treatment system. Through the carried out analyzes, it can be easily understood how each kinetic, stoichiometric parameter of the model, and each functional parameter of the processing system, affects the final results as well as what the optimal values for each parameter are. The simulation program that has been developed, gives the user a wide range of choices, as all the parameters of the model are variable. It also gives the user the opportunity to select between different numbers of operation cycles, different conditions that prevail in the reactor, to determine the duration of each step of the process, to regulate the supply of dissolved oxygen, the volume of the reactor, the daily flow etc. The application of the model was calibrated and verified on the basis of experimental results from laboratory scale systems. The calibration was such that the results of the application are very accurate compared with the experimental results. This became the basic scenario, and the various analyzes that were carried out, were based on it. In the applications that have been made, the influence of the kinetic and stoichiometric parameters of the model has been studied, and how the change by the same percentage each time, influences the concentrations of the nitrogen-related variables. The variables studied were ammonia nitrogen, nitrate nitrogen, the concentration of bacteria that oxidize aerobically ammonia nitrogen, the concentration of bacteria that anaerobically oxidize ammoniacal nitrogen, bacteria that oxidize aerobically nitrite nitrogen, and the concentration of volatile suspended solids into the bioreactor. Furthermore has been studied the effect of the operating parameters of the processing system and their effect on the above variables. The main parameters examined were the solids retention time, the number of SBR reactor operating cycles, VIII the set point of dissolved oxygen, the volumetric nitrogen loading rate and the volumetric organic loading rate. The main conclusions drawn from the above analyzes are: − Electron donor related half-saturation constants have a small effect on the behavior of the mathematical model. However, careful determination of the KNO2,NOB parameter is necessary as it can change the equilibrium within the reactor. − The half-saturation constants associated with the electron acceptor, significantly affect the final results and therefore a detailed determination is required. Particularly the KO,AOB and KNO2,AN parameters can result in inhibition phenomena due to the presence of free ammonia. − Maximum specific growth rates play one of the most important roles in the results of the model. They determine what kind of microorganisms will gain competitive advantage over others, alter the correlations in the growth and action of microorganisms and shape the final concentrations of the various pollutants. − Deterioration factors are among the parameters that most affect the model's results and therefore need to be carefully defined, as they can lead to complete inhibition of the group of micro-organisms or give the advantage to another. − The saturation factors referred to the inhibition of autotrophic biomass due to the presence of free ammonia, Ki,NH3,AOB and Ki,NH3,NOB, have a significant effect on the growth of autotrophic bacteria, as they determine in which free ammonia concentration the inhibition is going to start. − With regard to the parameters related to available alkalinity, it is necessary to define the KALK,AOB parameter in detail as it may lead to nitrification failure and inhibition of all biochemical processes. − Solid retention time decisively influences the final results as it forms the equilibrium of the growth of the different types of microorganisms. In addition, the solids retention time determines how important the advantage of ANAMMOX biomass is, due to bioaugmentation. − Τhe number of operating cycles of the SBR bioreactor has moderate impact on concentrations of pollutants and micro-organisms. Particular attention is required to achieve adequate dilution in order to avoid inhibition phenomena. Prior to number of cycles selection process, it is necessary to determine the desired processing level and to take into account issues that are related to the general prevailing conditions that are independent of the processing. − The set point of dissolved oxygen is one of the most important parameters, as it determines the growth rates of both aerobic and anaerobic bacteria. Caution is required when selecting the amount of oxygen supplied to the reactor to avoid inhibition effects due to the presence of free ammonia. IX − The volumetric nitrogen loading rate (vNLR) has a very significant effect on the final results. High nitrogen loads favor inhibition phenomena and therefore careful design of the treatment system is necessary. − The volumetric Organic loading rate (vOLR) does not appear to have a significant impact on nitrogen-related pollutant concentrations. On the other hand its effect on the heterotrophic biomass and on the concentration of volatile suspended solids is great.	en
heal.advisorName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Μαλαμής, Συμεών	el
heal.committeeMemberName	Νάνου, Αικατερίνη	el
heal.academicPublisher	Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.fullTextAvailability	true