Διερεύνη της επίδρασης του αμμωνιακού αζώτου στη βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου σε συστήματα επεξεργασίας στραγγιδίων

Μισυρλή, Θεοδώρα Βενετία; Misyrli, Theodora-Venetia

dc.contributor.author	Μισυρλή, Θεοδώρα Βενετία	el
dc.contributor.author	Misyrli, Theodora-Venetia	en
dc.date.accessioned	2018-12-17T10:32:55Z
dc.date.available	2018-12-17T10:32:55Z
dc.date.issued	2018-12-17
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48252
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.9015
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	Στραγγίδια	el
dc.subject	Απομάκρυνση θρεπτικών	el
dc.subject	Πολυφωσφορικά βακτήρια	el
dc.subject	Αμμωνιακό άζωτο	en
dc.subject	SBR	en
dc.subject	Leachates	en
dc.subject	Nutrient removal	en
dc.subject	SBR	en
dc.subject	PAOs	en
dc.subject	Ammonium nitrogen	en
dc.title	Διερεύνη της επίδρασης του αμμωνιακού αζώτου στη βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου σε συστήματα επεξεργασίας στραγγιδίων	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Επεξεργασία και διαχείριση λυμάτων και ιλύος	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-10-06
heal.abstract	Αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι η διερεύνηση της επίδρασης του αμμωνιακού αζώτου στη βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου. Η επίδραση αυτή εκφράζεται μέσα από τη μείωση του ρυθμού της αερόβιας δέσμευσης φωσφόρου από τα πολυφωσφορικά βακτηρίδια παρουσία υψηλής συγκέντρωσης αμμωνιακού αζώτου. Σκοπός είναι η εφαρμογή των αποτελεσμάτων για τη βελτιστοποίηση των βιολογικών διεργασιών απομάκρυνσης φωσφόρου μέσω νιτρωδών σε συστήματα επεξεργασίας στραγγιδίων εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων. Τα στραγγίδια σε μια ΕΕΛ, προκύπτουν από τα διάφορα στάδια επεξεργασίας της πρωτοβάθμιας και της βιολογικής ιλύος (πάχυνση, αφυδάτωση). Στόχος της επεξεργασίας της ιλύος είναι η μείωση της περιεχόμενης υγρασίας και η σταθεροποίησή της πριν την τελική της διάθεση ή επαναχρησιμοποίηση για οικονομικούς ή/και περιβαλλοντικούς λόγους. Τα στραγγίδια περιέχουν υψηλές συγκεντρώσεις διαλυτών θρεπτικών συστατικών, όπως φωσφόρου αλλά κυρίως αζώτου. Για το λόγο αυτό απαιτείται η επεξεργασία τους πριν την τελική τους διάθεση, ώστε να απομακρυνθεί το φορτίο των θρεπτικών και να μην προκαλούνται περιβαλλοντικά προβλήματα, όπως φαινόμενα ευτροφισμού και αποξυγόνωσης, στον τελικό αποδέκτη. Η συνηθέστερη τακτική διαχείρισης του ρεύματος των στραγγιδίων είναι η επανακυκλοφορία τους στη γραμμή επεξεργασίας των λυμάτων. Η τακτική αυτή αυξάνει σημαντικά το φορτίο των θρεπτικών συστατικών που εισέρχονται στο βιολογικό αντιδραστήρα, επιβαρύνοντας σημαντικά τη λειτουργία τους και επηρεάζοντας αρνητικά την ποιότητα της τελικής εκροής. Για το λόγο αυτό, τα τελευταία χρόνια ερευνάται και προτείνεται η ξεχωριστή επεξεργασία των στραγγιδίων, κυρίως με βιολογικές μεθόδους. Συνήθως επιλέγεται η βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου με ταυτόχρονη βιολογική απομάκρυνση αζώτου μέσω νιτρωδοποίησης-απονιτρωδοποίησης. Η μέθοδος νιτρωδοποίησης-απονιτρωδοποίησης έχει πολλαπλά οικονομικά και ενεργειακά οφέλη καθώς οι απαιτήσεις σε οξυγόνο και σε οργανικό άνθρακα είναι μικρότερες περίπου κατά 25% και 40% αντίστοιχα συγκριτικά με την κλασική μέθοδο της νιτροποίησης/απονιτροποίησης. Ωστόσο, αυτός ο τρόπος επεξεργασίας παρουσιάζει και κάποιες σημαντικές δυσκολίες ως προς την απομάκρυνση των θρεπτικών λόγω του υψηλού αζωτούχου φορτίου των στραγγιδίων. Συγκεκριμένα, η παρουσία υψηλής συγκέντρωσης αζώτου, με τη μορφή αμμωνιακών ιόντων αλλά κυρίως ως ελεύθερη αμμωνία, επηρεάζει αρνητικά την αποτελεσματική απομάκρυνση φωσφόρου, καθώς αναχαιτίζει τη δράση των πολυφωσφορικών βακτηριδίων. Επιπλέον, αρνητικά επηρεάζεται και η δράση των νιτρωδοποιητικών βακτηριδίων. Η επίδραση του αμμωνιακού αζώτου και αντίστοιχα της ελεύθερης αμμωνίας, στη βιολογική απομάκρυνση αζώτου μέσω νιτρωδοποίησης- απονιτρωδοποίησης έχει μελετηθεί εκτενώς στη βιβλιογραφία και υπάρχουν πολλές εργαστηριακές μελέτες που περιγράφουν την αλληλεπίδραση αυτή. Αντίθετα, η επίδραση του αμμωνιακού αζώτου στη βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου βρίσκεται ακόμα σε διερευνητικό στάδιο και δεν υπάρχουν βιβλιογραφικές έρευνες για το συγκεκριμένο αντικείμενο. Για το λόγο αυτό, η παρούσα εργασία αποτελεί μια πρότυπη ερευνητική μελέτη. Η διερεύνηση του παραπάνω αντικειμένου πραγματοποιήθηκε πειραματικά στο Εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας (ΕΥΤ) του ΕΜΠ. Συγκεκριμένα, συστάθηκε πιλοτικός αντιδραστήρας διαλείποντος έργου εναλλασσόμενων φάσεων λειτουργίας (Sequencing Batch Reactor - SBR) στον οποίο αναπτύχθηκε καλλιέργεια πολυφωσφορικών βακτηρίων. Κατά την έναρξη λειτουργίας του χρησιμοποιήθηκε βιομάζα από την εγκατάσταση επεξεργασίας λυμάτων της Ψυττάλειας. Όταν η λειτουργία του αντιδραστήρα σταθεροποιήθηκε, πραγματοποιήθηκε ένα σύνολο πειραμάτων batch με χρήση βιομάζας από τον αντιδραστήρα με στόχο να μελετηθεί η επίδραση του αμμωνιακού αζώτου στη συγκεκριμένη καλλιέργεια. Η λειτουργία του αντιδραστήρα διήρκησε από τις 5 Σεπτεμβρίου 2017 έως τις 27 Μαρτίου 2018. Τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του SBR αντιδραστήρα επιλέχθηκαν έτσι ώστε να δημιουργηθούν ευνοϊκές συνθήκες για την ανάπτυξη των πολυφωσφορικών βακτηριδίων. Για το λόγο αυτό επιλέχθηκαν, 2 ημερήσιοι κύκλοι λειτουργίας οι οποίοι περιλάμβαναν την εναλλαγή αναερόβιων, αερόβιων και ανοξικών συνθηκών. Η τροφοδοσία του αντιδραστήρα γινόταν καθημερινά με συνθετικά λύματα. Η λειτουργία του αντιδραστήρα SBR χωρίζεται σε 3 χρονικές περιόδους λόγω αστοχιών που εμφάνιζε το σύστημα ανά περιόδους ως προς την αποτελεσματική βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου, με αποτέλεσμα να κρίνεται αναγκαία η ανασύστασή του. Επιπλέον, κατά τη διάρκεια λειτουργίας του αντιδραστήρα αλλά και μετά από την ανασύσταση κάθε νέου συστήματος, ελεγχόταν η ομαλή λειτουργία του και κυρίως η παρουσία και διατήρηση των πολυφωσφορικών βακτηριδίων. Ο έλεγχος γινόταν με τη λήψη ανάμικτου υγρού ανά τακτά χρονικά διαστήματα από τον αντιδραστήρα και τη μέτρηση διαφόρων παραμέτρων. Τα batch πειράματα πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας ως βιοαντιδραστήρες τρεις εργαστηριακούς περιέκτες. Σε κάθε περιέκτη γινόταν προσθήκη 560 mL ανάμικτου υγρού από τον SBR αντιδραστήρα και κατάλληλης ποσότητας οργανικής τροφής και φωσφόρου από αντίστοιχα διαλύματα. Πάντα ένας περιέκτης αποτελούσε το control δείγμα από όπου υπολογιζόταν ο ρυθμός αερόβιας δέσμευσης φωσφόρου από τη βιομάζα απουσία τοξικού παράγοντα. Στους υπόλοιπους δύο περιέκτες γινόταν προσθήκη κατάλληλης ποσότητας διαλύματος χλωριούχου αμμωνίου (NH4Cl) ώστε η συγκέντρωση αμμωνιακού αζώτου να είναι κάθε φορά η επιθυμητή. Στους δύο αυτούς περιέκτες, η συγκέντρωση του αμμωνιακού αζώτου ήταν η ίδια ώστε να ελέγχεται η επαναληψιμότητα των αποτελεσμάτων. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων γινόταν μέτρηση της συγκέντρωσης του αμμωνιακού αζώτου και των ορθοφωσφορικών ριζών. Η συγκέντρωση του αμμωνιακού αζώτου παρέμενε σχετικά σταθερή στην εξεταζόμενη τιμή, οπότε κρίθηκε μη αναγκαία η προσθήκη κατάλληλης ουσίας (π.χ. θειουρίας) που να αναχαιτίζει την διεργασία της νιτροποίησης. Η συγκέντρωση των ορθοφωσφορικών, όπως ήταν αναμενόμενο, μεταβαλλόταν ανάλογα με τις συνθήκες που εφαρμόζονταν σε κάθε πείραμα. Επίσης, σε όλη τη διάρκεια κάθε πειράματος η τιμή του pH διατηρούταν σταθερή στην επιθυμητή τιμή. Πραγματοποιήθηκαν τρεις σειρές πειραμάτων κατά τη διάρκεια της παρούσας μελέτης. Η πρώτη σειρά πειραμάτων έγινε για τιμή pH ίση με 7 και περιλαμβάνει 5 πειράματα με εξεταζόμενες συγκεντρώσεις αμμωνιακού αζώτου: 80 mg/L, 170 mg/L, 300 mg/L, 450 mg/L και 740 mg/L. Η δεύτερη σειρά έγινε για τιμή pH ίση με 8 και περιλαμβάνει 4 πειράματα με εξεταζόμενες συγκεντρώσεις αμμωνιακού αζώτου: 75 mg/L, 170 mg/L, 350 mg/L και 620 mg/L. Η τρίτη σειρά έγινε για τιμή pH ίση με 7,5 και περιλαμβάνει 5 πειράματα με εξεταζόμενες συγκεντρώσεις αμμωνιακού αζώτου: 190 mg/L, 350 mg/L, 690 mg/L, 880 mg/L και 980 mg/L. Για τιμές του pH ίσες με 7,5 και 8, 50% αναχαίτιση των πολυφωσφορικών βακτηριδίων παρουσιάστηκε για συγκέντρωση αμμωνιακού αζώτου περίπου ίση με 660 mg/L, που σε όρο ελεύθερης αμμωνίας αντιστοιχεί σε 17,4 mg/L. Τα πειραματικά αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι η επίδραση του αμμωνιακού αζώτου σε pH ίσο με 7 είναι εντονότερη παρόλο που η συγκέντρωση της ελεύθερης αμμωνίας, που είναι ο κύριος αναχαιτιστικός παράγοντας, είναι χαμηλότερη από ότι στο pH του 7,5 και του 8. Η παρατήρηση αυτή απαιτεί περαιτέρω πειραματική μελέτη καθώς μπορεί να οφείλεται σε κάποιον άλλο αναχαιτιστικό παράγοντα, ο οποίος όμως δεν είναι δυνατόν να προσδιοριστεί από την παρούσα εργασία. Ωστόσο, το γενικό συμπέρασμα της παρούσας εργασίας είναι ότι τα συστήματα επεξεργασίας στραγγιδίων, ιδίως τύπου SBR, προτείνεται να λειτουργούν με αρχική συγκέντρωση αμμωνιακού αζώτου χαμηλότερη από 300 mg/L σε εύρος pH από 7 μέχρι 8, ώστε η αναχαίτιση της βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου λόγω της ελεύθερης αμμωνίας, να είναι χαμηλότερη από 30%.	el
heal.abstract	The aim of this postgraduate study is to examine the effect of ammonium nitrogen (NH4-N) on the Enhanced Biological Phosphorous Removal process (EBPR). This inhibition is expressed through a reduced Phosphorus Utilization Rate (PUR) from the Polyphosphate Accumulating Organisms (PAOs) under the presence of ammonium nitrogen. The objective of this study is to apply the results to a treatment system for dehydration leachates resulting from the sludge treatment line at a wastewater treatment plant (WWTP). Leachates in a WWTP are produced from the different treatment stages of untreated primary and biological sludge (thickening, dewatering). The purpose of these treatment methods is the moisture content reduction and the biological stabilization of the sludge before its final disposal or re-use for economic and/or environmental reasons. Leachates contain a high load of soluble nutrients, such as phosphorus but mainly nitrogen. It is therefore necessary to process them before they are finally disposed, in order to eliminate the burden of nutrients and environmental problems, such as eutrophication and deoxygenating phenomena. Usually, the leachate stream is re-circulated to the inlet of the WWTP. This tactic significantly increases the load of nutrients entering the biological reactor, significantly impeding its operation and adversely affecting the quality of the final effluent. For this reason, in recent years the application of a separate treatment of leachates, mainly by biological methods, has been investigated and proposed. The biological removal of nitrogen via nitrification-denitrification combined with the biological removal of phosphorus is an appealing approach. However, this treatment method presents many difficulties due to the high nitrogen load of the leachates. Specifically, the presence of high nitrogen levels, in the form of ammonium ions but mainly as free ammonia (FA), adversely affects the effective phosphorus removal as it inhibits the metabolism of polyphosphate bacteria (PAOs). Additionally, the metabolism of the nitrifying bacteria is negatively affected. The inhibitory effect of ammonium nitrogen and free ammonia on the biological nitrogen removal via nitrification-denitrification has been studied by many researchers over the past few decades. However, there are no researches about the impact of ammonium nitrogen and free ammonia on the metabolism of the PAOs during the EBPR process. For this reason, this work is considered an innovating study. The examination of the effect of ammonium nitrogen and free ammonia on the EBPR process was carried out experimentally in the Laboratory of Sanitary Technology of NTUA. Specifically, a lab scale sequencing batch reactor (SBR) was developed in which for the cultivation of PAOs. The seed sludge was obtained from the Psytaleia wastewater treatment plant in Athens. When the operation of the reactor was considered stable, a set of batch experiments was carried out using biomass from the reactor in order to study the effect of ammonium nitrogen on the specific culture. The function of the SBR reactor lasted from 5 September 2017 to 27 March 2018. The operational features of the SBR reactor were chosen to create favorable conditions for the development of PAOs. For this reason, 2 daily cycles were selected which included the alternation of anaerobic, aerobic and anoxic conditions. The reactor was supplied daily with synthetic wastewater. The operation of the reactor may be divided into 3 time periods, each following a startup due to system failures Moreover, during the operation of the reactor and after each reconstitution of new system, its proper function and especially the existence of polyphosphate bacteria was controlled. The above were made by receiving mixed liquid at regular intervals from the reactor and measuring different parameters. Batch experiments were performed using three laboratory containers as bioreactors. Each container held 560 mL of sample from the reactor and was fed an adequate amount of COD and phosphorus. One container served as a Control sample from which the Phosphorus Utilization Rate (PUR) in the absence of a toxic agent could be estimated. The other two containers received an appropriate amount of ammonium nitrogen, in the form of ammonium chloride, as to estimate the PUR under a specific ammonium nitrogen concentration in two duplicate samples during each experiment. Thus the inhibitory effect of various NH4+-N concentrations were calculated with respect to control at different pH levels. During the experiments, the concentration of ammonium nitrogen and orthophosphates were measured. Ammonium nitrogen concentration remained relatively stable at the test value, so it was considered unnecessary to add any substance (e.g. thiourea) to inhibit the process of nitrification. The concentration of orthophosphate changed according to the prevailing conditions in each batch. Also, throughout each experiment, the pH value was kept constant at the desired value. Three series of experiments were conducted during the present study. The first set of experiments was performed at a pH of 7 and included 5 concentrations of ammonium nitrogen: 80 mg/L, 170 mg/L, 300 mg/L, 450 mg/L and 740 mg/L. The second set was performed at a pH equal to 8 and included 4 concentrations of ammonium nitrogen: 75 mg/L, 170 mg/L, 350 mg/L and 620 mg/L. The third set was performed at a pH of 7.5 and included 5 concentrations of ammonium nitrogen: 190 mg/L, 350 mg/L, 690 mg/L, 880 mg/L and 980 mg/L. For the pH values of 7,5 and 8, a 50% inhibition of the EBPR process was estimated to occur for the ammonium nitrogen concentration of approximately 660 mg/L, which corresponds to 17.4 mg/L of FA. Experimental results show that the effect of ammonium nitrogen on the EBPR process greatly intensified at the pH of 7 in comparison to the greater pH levels studied. This observation requires further experimental study as it may be due to another inhibitory factor (e.g. nitrite-FNA) but this cannot be determined by this work. It should be noted that during the course of these experiments, nitrite concentrations in all samples never exceeded a concentration of 0.4 mg/L and thus were not considered to be responsible for any inhibition observed. However, the overall conclusion of this study is that leachate treatment systems, especially SBR type, are proposed to operate with an initial ammonium nitrogen concentration under 300 mg/L in a pH range of 7,5 to 8, so that inhibition of the EBPR process due to FA, is less than 30%.	en
heal.advisorName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Μαμάης, Δανιήλ	el
heal.committeeMemberName	Νάνου, Αικατερίνη	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	149 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true