Πειραματική διερεύνηση αναερόβιων συστημάτων επεξεργασίας λυμάτων

Τριανταφυλλοπούλου, Εμμανουέλα; Triantafyllopoulou, Emmanouela

dc.contributor.author	Τριανταφυλλοπούλου, Εμμανουέλα	el
dc.contributor.author	Triantafyllopoulou, Emmanouela	en
dc.date.accessioned	2020-12-08T11:51:15Z
dc.date.available	2020-12-08T11:51:15Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/52381
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.20079
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υδατικών Πόρων”
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/gr/	*
dc.subject	Αναερόβια επεξεργασία	el
dc.subject	Βιοαντιδραστήρες μεμβρανών	el
dc.subject	Τριχλωριούχος σίδηρος	el
dc.subject	Παραγωγή υδρογόνου	el
dc.subject	Anaerobic treatment	en
dc.subject	Membrane bioreactors	en
dc.subject	Iron ion	en
dc.title	Πειραματική διερεύνηση αναερόβιων συστημάτων επεξεργασίας λυμάτων	el
dc.title	Experimental investigation of anaerobic wastewater treatment systems	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Επεξεργασία λυμάτων	el
heal.classification	Wastewater treatment	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-07-08
heal.abstract	Σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας, η οποία πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, είναι η διερεύνηση των αναερόβιων συστημάτων με μεμβράνες (AnMBR) καθώς και η αξιολόγηση της προσθήκης τρισθενούς σιδήρου για την παραγωγή υδρογόνου από την αναερόβια επεξεργασία λυμάτων. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκαν πειράματα για πέντε διαφορετικούς αντιδραστήρες εργαστηριακής κλίμακας. Ο αρχικός εμβολιασμός των αντιδραστήρων έγινε με βιομάζα προερχόμενη από αντιδραστήρα AnMBR και τροφοδοτούνταν με τα ίδια λύματα που είχαν υποστεί προεπεξεργασία. Η διάκριση των συστημάτων έγκειται στους χρόνους παραμονής στερεών που εφαρμόστηκαν και στη δόση τριχλωριούχου σιδήρου που προστέθηκε. Οι βασικές λειτουργικές συνθήκες των αντιδραστήρων ήταν οι ακόλουθες: • σε ό,τι αφορά τη θερμοκρασία, ήταν ομοιόμορφη για όλους τους αντιδραστήρες καθώς το σύστημα λειτουργούσε υπό θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η θερμοκρασία κυμάνθηκε από τους 12-24οC • κατά την κύρια λειτουργία του συστήματος λειτούργησαν τρεις αντιδραστήρες (δύο με προσθήκη σιδήρου και ένας αντιδραστήρας ελέγχου, αντιδραστήρες 1,2 και 4) με χρόνο παραμονής στερεών ίσο με 40 ημέρες και δύο αντιδραστήρες (ένας με προσθήκη σιδήρου και ένας αντιδραστήρας ελέγχου) με χρόνο παραμονής στερεών ίσο με 20 ημέρες (αντιδραστήρες 3 και 5) • η διαδικασία τροφοδοσίας ήταν κοινή για όλους τους αντιδραστήρες και η είσοδος του συστήματος ήταν προεπεξεργασμένα λύματα • η έξοδος του συστήματος ήταν η αφαίρεση του υπερκειμένου για τη διεξαγωγή πειραμάτων (αφαίρεση 100 ml/δειγματοληψία για ωφέλιμο όγκο αντιδραστήρα ίσο με 300ml) • η προσθήκη σιδήρου γινόταν με βάση την στοιχειομετρική απαίτηση. Έτσι:  ο αντιδραστήρας 2 δεχόταν το ½ της απαιτούμενης στοιχειομετρικά δόσης τριχλωριούχου σιδήρου  ο αντιδραστήρας 3 δεχόταν το ½ της απαιτούμενης στοιχειομετρικά δόσης τριχλωριούχου σιδήρου  ο αντιδραστήρας 4 δεχόταν το ½ της απαιτούμενης στοιχειομετρικά δόσης τριχλωριούχου σιδήρου • η οργανική φόρτιση δεν ξεπέρασε τα 0.2 kg COD/kg VSS-d • το pH διατηρήθηκε στα επίπεδα 7.2-8 κατά τη λειτουργία του συστήματος Βασικές παράμετροι που διερευνήθηκαν για την απόδοση του συστήματος ήταν:  η απομάκρυνση του διαλυτού COD, η οποία για τους αντιδραστήρες με τριχλωριούχο σίδηρο κυμάνθηκε από 40-45% και για τους αντιδραστήρες ελέγχου κοντά στο 70%  η παραγωγή μεθανίου, η οποία λαμβάνοντας υπόψη την αυξημένη ποσότητα διαλυτού μεθανίου στην υγρή φάση για χαμηλές θερμοκρασίες, κυμάνθηκε από τα 0.13 L CH4/g CODREM (αντιδραστήρες με FeCl3) έως τα 0.25 (αντιδραστήρες ελέγχου) L CH4/g CODREM σε σχέση με την θεωρητική τιμή των 0.35 L CH4/g CODREM  η συγκέντρωση στερεών (TSS) που προσδιορίστηκε από 2500-3900 mg/L, οργανικών (VSS) που μετρήθηκε από 1000-2300 mg/L και το ποσοστό οργανικών σε σχέση με τα ολικά στερεά, το οποίο ήταν μειωμένο στους αντιδραστήρες με σίδηρο  η συγκέντρωση του διαλυτού COD, η οποία κυμάνθηκε από 250-460 mg/L (κατώτερη τιμή για αντιδραστήρες ελέγχου)  η συγκέντρωση των VFAs σε όρους COD, που κυμάνθηκε από 110-280 mg/L, τιμή εντός των αποδεκτών ορίων αλλά όχι βέλτιστη  η συγκέντρωση του διαλυτού και ολικού σιδήρου, καθώς και η φόρτιση σιδήρου σε όρους mg σιδήρου/g VSS Από την εκτέλεση των πειραμάτων μελετήθηκε η επίδραση της προσθήκης ένυδρου τριχλωριούχου σιδήρου στη λειτουργία και την απόδοση των συστημάτων. Παρατηρήθηκε η συσσώρευση πτητικών λιπαρών οξέων και COD, επομένως υπήρχε ανισορροπία κατά την αναερόβια διεργασία. Η προσθήκη σιδήρου ανέκοψε την παραγωγή μεθανίου και οδήγησε στη μειωμένη απόδοση των αντιδραστήρων ως προς την απομάκρυνση του διαλυτού COD.	el
heal.abstract	Nowadays, wastewater treatment is considered to be a multidimensional issue where the quality of the effluent is equally important to the economic and technical aspects of design and operation. In that scope, the increasing interest in anaerobic treatment of wastewater is justified, in that it does not require oxygen and it provides for a more attractive method economically and environmentally. However, the low growth rates of microorganisms under anaerobic conditions require a high solid retention time (SRT). Designing a reactor with a high retention time is not viable economically. Therefore, the separation of SRT and HRT (hydraulic retention time) is paramount for the usage of anaerobic methods for the treatment of wastewater. This issue can be resolved with the usage of anaerobic membrane reactors (AnMBRs), which allow for high removal of organic load while in anaerobic conditions. AnMBRs offer the possibility of treating domestic wastewater in ambient temperatures, as the need for high temperatures (mesophilic or thermophilic) has made anaerobic processes less attractive in the past. The microbiology concerning the anaerobic process is presented, along with the main environmental and operational parameters. Next, the AnMBR technology is presented. The reactor description is followed by the main parameters and reactor types used. After that, the main advantages and drawbacks are numbered, with focus to membrane fouling and the role of extracellular polymeric substances (EPS). Also, the use of AnMBRs is presented in relation to aerobic MBRs and economic data are offered. Moreover, the production of hydrogen via anaerobic treatment is increasingly sought out, as hydrogen presents an environmentally friendly fuel that does not leave byproducts and has a high energy potential. Hydrogen can be produced as a result of several pathways, either light-dependent or light independent (dark fermentation). Dark fermentation pathways lead to greater H2 yields and are therefore analyzed to a greater extent. Hydrogen yield is compared based on the impact of substrate, metal additive, microorganism cultures used, reactor configuration and fermentation pathways. It has been noted that the addition of metal monomers, ions and oxides can improve both the removal of organic load and the H2 production, as the absence of metal nutrients can inhibit the H2 production. The use of different metal additives, namely ions, can achieve high H2 yield in anaerobic reactors. Iron ions (Fe2+, Fe3+) seem to generally be optimal for hydrogen production. FeCl3 can result in thermodynamically favorable conditions for H2. Consequently, the addition of FeCl3 was evaluated in a laboratory experiment consisting of five reactors. The inoculum used in the system was biomass originating from an AnMBR pilot scale reactor for their startup period. Pretreated domestic wastewater was used as feed, along with acetate to ensure the existence of readily biodegradable substrate. The startup period lasted approximately a month and the reactors used had the following operational characteristics: • The reactors had a working volume of 0.625 L • The reactors operated under ambient temperatures (that ranged between 12-24oC) • The five reactors operated with two different SRTs:  reactor 1 was the control reactor and had an SRT equal to 40 days  reactor 2 had SRT= 40 days and a FeCl3 dose equal to ½ of the stoichiometric dose  reactor 3 had SRT= 20 days and a FeCl3 dose equal to ½ of the stoichiometric dose  reactor 4 had SRT= 40 days and a FeCl3 dose equal to ¼ of the stoichiometric dose  reactor 5 consisted of pasteurized biomass. ¼ of the stoichiometric dose of FeCl3 was added and the influent of the reactor was only acetate. The second (main) operational period consisted of five reactors with two different solid retention times (SRT). The 5th reactor was subsidized with a new control reactor operating with SRT=20d using the same inoculum and feed as the others. The reactors changed and had a new working volume of 0.30 L. The feeding process and the effluent removal were common for all the reactors, removing 100ml per 300ml reactor. In order to have favorable environmental conditions, pH was maintained among 7.2-8 for the system’s operation. The most important operational parameters which were used to evaluate the system’s performance were:  diluted COD removal, that ranged between 40-45% for reactors with added iron and 70% for the control reactors  methane yield, which given the high dilution of methane in the liquid state for low temperatures, ranged among 0.13 L CH4/g CODREM for reactors with FeCl3 and 0.25 CH4/g CODREM for control reactors, compared to the 0.35 CH4/g CODREM theoretical yield  Total Suspended Solids (TSS) had a concentration of 2500-3900 mg/L, Volatile Suspended Solids (VSS) had a concentration of 1000-2300 mg/L and for each reactor the percentage of VSS/TSS was calculated  COD concentration, which ranged between 250-460 mg/L (the lowest value was the control’s)  VFAs concentration (in mg COD/L), that ranged between 110-280 mg/L which is acceptable but not optimal  The concentration of diluted Fe2+,Fe3+ and total Fe (iron), as well as the iron loading rate in mg Fe/g VSS The methane yield was calculated taking into consideration:  Sulphate (SO42-) presence as the wastewater had a high COD/SO4 ratio  Methane dilution, as more CH4 is transferred to the liquid phase for lower temperatures. The COD mass balance thus showed that the total methane yield in regarding the remaining COD accessible to methanogens and accounted for a methane yield close to the theoretical for the control reactors. The results of the experiment showed an imbalance among the production and consumption of VFAs, as well as an accumulation of COD. The addition of FeCl3 interrupted methane production and thus lowered the system’s performance in regard to COD reduction.	en
heal.advisorName	Μαμάης, Δανιήλ	el
heal.committeeMemberName	Μαμάης, Δανιήλ	el
heal.committeeMemberName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Παπακωνσταντής, Ηλίας	el
heal.academicPublisher	Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	227 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false