Βιολογική και φυσικοχημική επί τόπου αποκατάσταση υπόγειων υδροφορέων ρυπασμένων με εξασθενές χρώμιο

Κιόρραϊ, Ρενίσα; Kiorrai, Renisa

dc.contributor.author	Κιόρραϊ, Ρενίσα	el
dc.contributor.author	Kiorrai, Renisa
dc.date.accessioned	2019-12-05T09:16:21Z
dc.date.available	2019-12-05T09:16:21Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/49545
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.17243
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	Εξασθενές χρώμιο	el
dc.subject	Υπόγειοι υδροφορείς	el
dc.subject	Βιολογική αποκατάσταση	el
dc.subject	Φυσικοχημική αποκατάσταση	el
dc.subject	Πειράματα εδαφικών στηλών	el
dc.subject	Hexavalent chromium	en
dc.subject	Groundwater	en
dc.subject	Bioremediation	en
dc.subject	Physicochemical remediation	el
dc.subject	Soil column experiments	el
dc.title	Βιολογική και φυσικοχημική επί τόπου αποκατάσταση υπόγειων υδροφορέων ρυπασμένων με εξασθενές χρώμιο	el
dc.contributor.department	Επιστήμη και Τεχνολογία Υδατικών Πόρων	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Περιβαλλοντική τεχνολογία	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-06-27
heal.abstract	Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία, έχει ως βασικό στόχο την αντιμετώπιση της ρύπανσης των υπόγειων υδάτων από εξασθενές χρώμιο, μέσω της βιολογικών και φυσικοχημικών διεργασιών. Τα υπόγεια νερά, αποτελούν αποθέματα γλυκού νερού, τα οποία βρίσκονται μέσα σε γεωλογικούς σχηματισμούς στο υπέδαφος. Λόγω της αυξημένης ανθρώπινης δραστηριότητας, μέσω της χρήσης χημικών προϊόντων και της παραγωγής αστικών και βιομηχανικών λυμάτων, τα νερά αυτά, απειλούνται από επικίνδυνους ρύπους, όπως είναι τα βαρέα μέταλλα και πιο συγκεκριμένα το εξασθενές χρώμιο, το οποίο αποτελεί ιδιαίτερα ευδιάλυτο και τοξικό ρύπο. Με σκοπό την διερεύνηση μεθόδων αποκατάστασης των υπόγειων υδροφορέων ρυπασμένων από εξασθενές χρώμιο, πραγματοποιήθηκαν πειράματα εδαφικών στηλών, προσομοιώνοντας τις συνθήκες ροής σε έναν υπόγειο υδροφορέα. Αναλυτικότερα, το σύστημα που εφαρμόστηκε, αποτελούνταν από δύο εδαφικές στήλες και δύο δοχεία τροφοδοσίας με εξασθενές χρώμιο. Συνολικά, πραγματοποιήθηκαν τέσσερις (4) πειραματικοί κύκλοι. Οι παράμετροι που εξετάστηκαν σε κάθε πειραματικό κύκλο, για τον έλεγχο του συστήματος ήταν το εξασθενές και ολικό χρώμιο, το νιτρώδες και νιτρικό άζωτο (NO2-N, NO3-N), τα θειούχα και θειικά ιόντα (S-2, SO42-), το ολικό και διαλυτό COD και τα πτητικά οξέα (VFAs). Επιπλέον, γινόταν συχνές μετρήσεις για το διαλυμένο οξυγόνο (DO), το δυναμικό οξειδοαναγωγής (REDOX), το pH και την αγωγιμότητα (EC). Στον πρώτο πειραματικό κύκλο, πραγματοποιήθηκε control πείραμα, το οποίο διεξήχθη ανακυκλοφορώντας διάλυμα εξασθενούς χρωμίου από τη στήλη χωρίς την προσθήκη κάποιου αναγωγικού ή χημικού μέσου, με σκοπό να διερευνηθεί η φυσική ικανότητα του εδάφους να απομακρύνει Cr(VI). Στον δεύτερο πειραματικό κύκλο, εξετάστηκε η βιολογική απομάκρυνση εξασθενούς χρωμίου των στηλών, μέσω της προσθήκης οργανικής τροφής (μείγμα μελάσας και EVO). Στη συνέχεια, στον τρίτο πειραματικό κύκλο εξετάστηκε η ικανότητα των στηλών να ανάγουν χημικά το Cr(VI), μέσω της προσθήκης επταένυδρου θειικού σιδήρου (FeSO4*7H2O) και τέλος, στον τέταρτο πειραματικό κύκλο, πραγματοποιήθηκε προσθήκη οργανικής τροφής (μελάσα και EVO) και επταένυδρου θειικού σιδήρου, με σκοπό την εκτίμηση της συζευγμένης αβιοτικής και βιοτικής αναγωγής εξασθενούς χρωμίου. Το ρυπασμένο νερό που χρησιμοποιήθηκε, αποτελείται από νερό γεώτρησης (διηθημένο) και διάλυμα εξασθενούς χρωμίου, αρχικής συγκέντρωσης 1-2 mg/L. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές διαπερατότητας του εδάφους, καθώς και δοκιμές ιχνηθέτησης (tracer test) με σκοπό τον υπολογισμό της υδραυλικής αγωγιμότητας του εδάφους σε κάθε πειραματικό κύκλο και την εξέταση των συνθηκών ροής, αντίστοιχα. Με βάση τα παραπάνω πειράματα, αποδείχθηκε ότι, χωρίς την προσθήκη κάποιου αναγωγικού μέσου, η φυσική ικανότητα του εδάφους να απομακρύνει εξασθενές χρώμιο, είναι περιορισμένη. Αντιθέτως, κατά τον Β πειραματικό κύκλο, μέσω της προσθήκης οργανικού δότη ηλεκτρονίων (μείγμα μελάσας, EVO), επιτεύχθηκε βιολογική απομάκρυνση εξασθενούς χρωμίου, είτε μέσω διεργασιών αναγωγής είτε μέσω βιοπροσρόφησης. Η ικανότητα απομάκρυνσης Cr(VI) από τους δύο βιοαντιδραστήρες, διήρκησε συνολικά, περίπου 3,5 μήνες, με έξι επιμέρους κύκλους τροφοδοσίας με διάλυμα εξασθενούς χρωμίου, αρχικής συγκέντρωσης 1 mg/L στην πρώτη στήλη και δύο επιμέρους κύκλους τροφοδοσίας, στη δεύτερη στήλη. Κατά τον τρίτο πειραματικό κύκλο, όπου πραγματοποιήθηκε τροφοδοσία με διάλυμα δισθενούς σιδήρου, ως αναγωγικό μέσο, επιτεύχθηκε απομάκρυνση του εξασθενούς χρωμίου, είτε μέσω διεργασιών χημικής αναγωγής, είτε μέσω προσρόφησης είτε και μέσω της συν- κατακρήμνισης. Παρόλα αυτά, η χρονική διάρκεια ζωής των διεργασιών χημικής αναγωγής, ήταν αρκετά περιορισμένη (35 ημέρες περίπου) εξαιτίας πιθανότατα της γρήγορης παθητικοποίησης του 50% του δισθενούς σιδήρου, λόγω της οξείδωσης του σε τρισθενή μορφή καθώς και της κατακρήμνισής του με τη μορφή οξειδίων- υδροξειδίων. Τέλος, κατά τον τέταρτο πειραματικό κύκλο, μέσω της προσθήκης οργανικού και ανόργανου δότη ηλεκτρονίων (μείγμα μελάσας και EVO, Fe(II)), επιτυγχάνεται αποτελεσματικότερη συγκράτηση του Fe(II), καλύτερη απόδοση ως προς την απομάκρυνση Cr(VI) και αυξημένη μακροβιότητα του συστήματος της εδαφικής στήλης. Αναλυτικότερα, σε αυτή την περίπτωση, μέσω των διεργασιών συζευγμένης αβιοτικής και βιοτικής απομάκρυνσης Cr(VI), οι οποίες διήρκησαν περίπου 5,5 μήνες, η συνολική ποσότητα Cr(VI) που απομακρύνθηκε ήταν 13% μεγαλύτερη από το άθροισμα της βιολογικής (Β πειραματικός κύκλος) και της χημικής αναγωγής (Γ πειραματικός κύκλος) Cr(VI). Επιπρόσθετα, όσον αφορά τις δοκιμές διαπερατότητας, προέκυψε ότι η υδραυλική αγωγιμότητα της πρώτης στήλης, μειώθηκε από την έναρξη των πειραμάτων έως τη διακοπή της λειτουργίας της, λόγω των αναγωγικών μέσων που προστέθηκαν (λιπαρά οξέα και δισθενής σίδηρος), της ανάπτυξης των μικροοργανισμών, καθώς και λόγω της συγκράτησης του αναγώμενου τρισθενούς χρωμίου από τους πόρους του εδάφους. Αντιθέτως, στη στήλη 2, η υδραυλική αγωγιμότητα του εδάφους, παρουσίασε μικρή αύξηση, γεγονός που σε συνδυασμό με τις δοκιμές ιχνηθέτησης, οδήγησε στο συμπέρασμα της πιθανής δημιουργίας διόδων διευκόλυνσης της ροής. Με αυτό τον τρόπο, δικαιολογήθηκε και η μειωμένη ικανότητα απομάκρυνσης εξασθενούς χρωμίου, από τη δεύτερη στήλη.	el
heal.abstract	The main objective of this master thesis was the treatment of groundwater contamination by hexavalent chromium through biological and physicochemical methods. Groundwater, is fresh water found through pore spaces in rock formations, in the subsoil. Nowadays, groundwater is threatened, due to increasing use of both chemicals and urban and industrial pollutants. A group of hazardous pollutants are heavy metals, particularly hexavalent chromium, which is a highly soluble and toxic metal. In order to eliminate groundwater pollution caused by Cr(VI), through bioremediation, soil column experiments have been conducted, stimulating groundwater flow conditions. Two soil columns and two Cr(VI) fed tanks, have been set and overall, 4 experimental phases took place. In all experimental phases, samples were collected frequently from inlet and outlet of the columns and where analyzed for pH, ORP, DO, EC, total and hexavalent chromium, total and soluble COD, VFAs, nitrate, nitrite, sulfate, sulfide and ferrous iron Fe(II). At the first phase, column experiments used as a control, have been conducted with Cr(VI) contaminated groundwater recirculation, for two weeks, without addition of any reducing agent, in order to evaluate the natural soil capacity to remove Cr(VI). In order to evaluate biologically induced Cr(VI) removal, an aqueous solution including molasses and emulsified vegetable oil (EVO) have been added in both columns. Afterwards, at the third experimental phase, column 2 was supplied with a ferrous iron solution (FeSO4*7H2O), in order to evaluate chemical Cr(VI) removal of ferrous iron. Lastly, column experiments have been conducted in order to evaluate the coupled biological and chemical Cr(VI) removal. At this phase, aqueous solution containing molasses, EVO and ferrous iron, was recirculated through the column. Additionally, soil permeability tests have been carried out among the abovementioned experimental phases, as to determine the coefficient of permeability in each soil column. Also, tracer tests have been conducted, in order to examine flow conditions of the second column, due to the fact of reduced Cr(VI) removal capacity. According to the results, the soil, without any chemicals or organic load added, exhibited a limited removal capacity. On the other side, when organic load was added, biological removal of hexavalent chromium was achieved, either through reduction or bioassorption processes. The Cr(VI) removal capacity of the two bioreactors, lasted for a total of 3.5 months, including six individual feed cycles with hexavalent chromium solution, with an initial concentration of 1 mg / L and two feed cycles for the second column, respectively. In the third experimental phase, when ferrous sulfate added, Cr(VI) removal from groundwater was achieved, by mechanisms such as, reduction, adsorption and co- precipitation. The efficiency of the chemical removal was limited because 50% of Fe(II) added was passivated decreasing the overall performance and longevity of the process. At the last phase, the coupled abiotic and biotic processes induced by Fe(II), EVO and molasses addition, lead to a more effective iron consumption in the Fe (II)-H2O system resulting in an enhancement of iron utilization, Cr(VI) removal performance and column longevity. Especially, these column experiments lasted for approximately 5.5 months and the rate of hexavalent chromium removal obtained, was 13% larger than the rates obtained both at biological and chemical processes. According to the soil permeability tests, hydraulic conductivity of column 1, significantly decreased during the 6 month operation, due to the reducing agents added, biomass growth and as well as, trivalent chromium precipitation between soil’s pores. Contrary to the above results, hydraulic conductivity of column 2, slightly increased during the 4 experimental phases, which indicates the formation of preferrential flow paths, that didn’t allow the contaminated groundwater to come in contact with all of the column’s soil. That was also observed, during the tracer test and justifies the limited Cr(VI) removal capacity of column 2.	en
heal.advisorName	Μαμάης, Δανιήλ	el
heal.committeeMemberName	Μαμάης, Δανιήλ	el
heal.committeeMemberName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Νάνου, Αικατερίνη	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	122 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true