Πειραματική διερεύνηση του μηχανισμού της βιοπροσρόφησης σωματιδιακού οργανικού υλικού σε συστήματα ενεργού ιλύος υψηλής φόρτισης

Σέιντος, Ταξιάρχης; Seintos, Taxiarchis

dc.contributor.author	Σέιντος, Ταξιάρχης	el
dc.contributor.author	Seintos, Taxiarchis	en
dc.date.accessioned	2020-12-08T17:06:34Z
dc.date.available	2020-12-08T17:06:34Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/52386
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.20084
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υδατικών Πόρων”	el
dc.rights	Default License
dc.subject	Ενεργός Ιλύς	el
dc.subject	Υψηλή φόρτιση	el
dc.subject	Συνθετικά λύματα	el
dc.subject	Activated sludge	en
dc.subject	High-Rate	en
dc.subject	Biosorption	en
dc.subject	Βιοπροσρόφηση	el
dc.subject	Synthetic wastewater	en
dc.subject	Σωματιδιακό	el
dc.subject	Particulate	en
dc.title	Πειραματική διερεύνηση του μηχανισμού της βιοπροσρόφησης σωματιδιακού οργανικού υλικού σε συστήματα ενεργού ιλύος υψηλής φόρτισης	el
dc.title	Experimental investigation of the particulate organic matter biosorption mechanism in high – rate activated sludge systems	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Υγειονομική Τεχνολογία	el
heal.classification	Sanitary Engineering	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-07-08
heal.abstract	Η μελέτη του μηχανισμού της βιοπροσρόφησης του σωματιδιακού κλάσματος COD των λυμάτων αποτελεί κλειδί στη μοντελοποίηση και το σωστό σχεδιασμό των συστημάτων ενεργού ιλύος υψηλής φόρτισης HRAS, αφού σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, αυτό είναι, κυρίως, το κλάσμα, που προσροφάται. Στόχος, επομένως, είναι η μεγιστοποίηση του βιοπροσροφούμενου οργανικού υλικού από τη βιομάζα αυτών των συστημάτων και, για το σκοπό αυτό, στην παρούσα εργασία εξετάζονται οι παράγοντες που επιδρούν στη βιοπροσροφητική ικανότητα της βιομάζας. Οι παράγοντες που εξετάζονται είναι η οργανική φόρτιση F/M, το διαλυμένο οξυγόνο DO ο χρόνος σταθεροποίησης στις διατάξεις επαφής – σταθεροποίησης HiCS και η περίπτωση χημικά απενεργοποιημένης βιομάζας. Πραγματοποιήθηκαν batch πειράματα στο Εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας της Σχολής Πολιτικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π. με χρήση βιομάζας προερχόμενης από τη δεξαμενή επαφής πιλοτικής εγκατάστασης συστήματος HRAS, εγκατεστημένο στο Κέντρο Επεξεργασίας Λυμάτων Ψυττάλειας, στην Αττική. Για την προσομοίωση της επαφής της βιομάζας με το σωματιδιακό κλάσμα έγινε παρασκευή και χρήση διαλύματος αμύλου ρυζιού (πλήρως σωματιδιακό COD). Ο χρόνος επαφής των συνθετικών λυμάτων με τη βιομάζα ήταν σταθερός σε όλα τα πειράματα και ίσος με 10 min. Εξετάστηκε ένα μεγάλο εύρος οργανικών φορτίσεων F⁄M=0,1-4,0 g_COD/g_VSS, τόσο για αερόβια επαφή, όσο και για αναερόβια. Η διασφάλιση των αναερόβιων συνθηκών έγινε με παροχή αζώτου Ν_2↑, πριν την επαφή για απομάκρυνση του DO από το διάλυμα αμύλου και κατά τη διάρκεια της επαφής για την αποφυγή επιφανειακού επαναερισμού. Επιπλέον, έγινε δοκιμή με χημικά απενεργοποιημένη βιομάζα (sodium azide), ώστε να εξεταστεί, σε συνδυασμό με τα αναερόβια πειράματα, η πιθανή βιολογική υπόσταση του μηχανισμού. Για το εύρος οργανικών φορτίσεων, που αντιστοιχούν σε φορτίσεις συνεχών συστημάτων HRAS, δηλαδή F⁄M=0,1-0,5 g_COD/g_VSS, έγινε, επιπλέον, διερεύνηση της επίδρασης του χρόνου σταθεροποίησης, που αποσκοπεί στη βελτιστοποίηση λειτουργίας των συστημάτων υψηλής φόρτισης επαφής – σταθεροποίησης HiCS. Εξετάστηκαν διάφορες τιμές του χρόνου σταθεροποίησης με εύρος θ_st=0,5-24 h, με σκοπό τον προσδιορισμό του βέλτιστου, δηλαδή εκείνου για τον οποίο η βιοπροσροφητική ικανότητα αυξάνεται περισσότερο σε σχέση με της μη σταθεροποιημένης βιομάζας, για όλες τις φορτίσεις που εξετάστηκαν. Η ερμηνεία των αποτελεσμάτων φανέρωσε τη βιολογική συνιστώσα του μηχανισμού της βιοπροσρόφησης σωματιδιακού οργανικού υλικού, αφού μεταβολή των συνθηκών DO και χημική απενεργοποίηση της βιομάζας οδήγησαν σε διαφορετική απόδοση με μικρότερη βιοπροσροφητική ικανότητα για αναερόβιες συνθήκες έως και κατά 39% και, πρακτικά, μηδενική απόκριση όταν ήταν απενεργοποιημένη. Προσδιορίστηκε, επίσης, η μέγιστη βιοπροσροφητική ικανότητα της βιομάζας που χρησιμοποιήθηκε (χωρίς σταθεροποίηση για αερόβιες συνθήκες) (ΔCOD=600 mg_COD/g_VSS) και η οργανική φόρτιση, για την οποία προκύπτει αυτή (F⁄M=2 g_COD/g_VSS) (κορεσμός βιομάζας). Τέλος, προσδιορίστηκε ο βέλτιστος χρόνος σταθεροποίησης, και πάλι για την υπό εξέταση βιομάζα (θ_st=5 h), ενώ η μέγιστη βελτίωση γι’ Η μελέτη του μηχανισμού της βιοπροσρόφησης του σωματιδιακού κλάσματος COD των λυμάτων αποτελεί κλειδί στη μοντελοποίηση και το σωστό σχεδιασμό των συστημάτων ενεργού ιλύος υψηλής φόρτισης HRAS, αφού σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, αυτό είναι, κυρίως, το κλάσμα, που προσροφάται. Στόχος, επομένως, είναι η μεγιστοποίηση του βιοπροσροφούμενου οργανικού υλικού από τη βιομάζα αυτών των συστημάτων και, για το σκοπό αυτό, στην παρούσα εργασία εξετάζονται οι παράγοντες που επιδρούν στη βιοπροσροφητική ικανότητα της βιομάζας. Οι παράγοντες που εξετάζονται είναι η οργανική φόρτιση F/M, το διαλυμένο οξυγόνο DO ο χρόνος σταθεροποίησης στις διατάξεις επαφής – σταθεροποίησης HiCS και η περίπτωση χημικά απενεργοποιημένης βιομάζας. Πραγματοποιήθηκαν batch πειράματα στο Εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας της Σχολής Πολιτικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π. με χρήση βιομάζας προερχόμενης από τη δεξαμενή επαφής πιλοτικής εγκατάστασης συστήματος HRAS, εγκατεστημένο στο Κέντρο Επεξεργασίας Λυμάτων Ψυττάλειας, στην Αττική. Για την προσομοίωση της επαφής της βιομάζας με το σωματιδιακό κλάσμα έγινε παρασκευή και χρήση διαλύματος αμύλου ρυζιού (πλήρως σωματιδιακό COD). Ο χρόνος επαφής των συνθετικών λυμάτων με τη βιομάζα ήταν σταθερός σε όλα τα πειράματα και ίσος με 10 min. Εξετάστηκε ένα μεγάλο εύρος οργανικών φορτίσεων F⁄M=0,1-4,0 g_COD/g_VSS, τόσο για αερόβια επαφή, όσο και για αναερόβια. Η διασφάλιση των αναερόβιων συνθηκών έγινε με παροχή αζώτου Ν_2↑, πριν την επαφή για απομάκρυνση του DO από το διάλυμα αμύλου και κατά τη διάρκεια της επαφής για την αποφυγή επιφανειακού επαναερισμού. Επιπλέον, έγινε δοκιμή με χημικά απενεργοποιημένη βιομάζα (sodium azide), ώστε να εξεταστεί, σε συνδυασμό με τα αναερόβια πειράματα, η πιθανή βιολογική υπόσταση του μηχανισμού. Για το εύρος οργανικών φορτίσεων, που αντιστοιχούν σε φορτίσεις συνεχών συστημάτων HRAS, δηλαδή F⁄M=0,1-0,5 g_COD/g_VSS, έγινε, επιπλέον, διερεύνηση της επίδρασης του χρόνου σταθεροποίησης, που αποσκοπεί στη βελτιστοποίηση λειτουργίας των συστημάτων υψηλής φόρτισης επαφής – σταθεροποίησης HiCS. Εξετάστηκαν διάφορες τιμές του χρόνου σταθεροποίησης με εύρος θ_st=0,5-24 h, με σκοπό τον προσδιορισμό του βέλτιστου, δηλαδή εκείνου για τον οποίο η βιοπροσροφητική ικανότητα αυξάνεται περισσότερο σε σχέση με της μη σταθεροποιημένης βιομάζας, για όλες τις φορτίσεις που εξετάστηκαν. Η ερμηνεία των αποτελεσμάτων φανέρωσε τη βιολογική συνιστώσα του μηχανισμού της βιοπροσρόφησης σωματιδιακού οργανικού υλικού, αφού μεταβολή των συνθηκών DO και χημική απενεργοποίηση της βιομάζας οδήγησαν σε διαφορετική απόδοση με μικρότερη βιοπροσροφητική ικανότητα για αναερόβιες συνθήκες έως και κατά 39% και, πρακτικά, μηδενική απόκριση όταν ήταν απενεργοποιημένη. Προσδιορίστηκε, επίσης, η μέγιστη βιοπροσροφητική ικανότητα της βιομάζας που χρησιμοποιήθηκε (χωρίς σταθεροποίηση για αερόβιες συνθήκες) (ΔCOD=600 mg_COD/g_VSS) και η οργανική φόρτιση, για την οποία προκύπτει αυτή (F⁄M=2 g_COD/g_VSS) (κορεσμός βιομάζας). Τέλος, προσδιορίστηκε ο βέλτιστος χρόνος σταθεροποίησης, και πάλι για την υπό εξέταση βιομάζα (θ_st=5 h), ενώ η μέγιστη βελτίωση γι’ αυτόν το χρόνο και φόρτιση F⁄M=0,1 g_COD/g_VSS ήταν 65%. το χρόνο και φόρτιση F⁄M=0,1 g_COD/g_VSS ήταν 65%.	el
heal.abstract	Studying and understanding the biosorption mechanism of the particulate fraction of the wastewater COD is the key in modelling and proper design of High Rate Activated Sludge systems, also known as HRAS. This is suggested by previous literature, reporting, that particulate COD is the main fraction being sorbed on the activated sludge flocs. Thus, maximization of the biosorbed organic matter is of great importance and, to this end, the present thesis investigates the main parameters, affecting the biosorption capacity. Parameters under investigation are the organic loading F/M, dissolved oxygen DO concentration, stabilization hydraulic retention time θst of Contact – Stabilization processes (HiCS) and the case of chemically inhibited biomass. HRAS systems are defined according to three parameters: hydraulic retention time (θ), solids retention time (θc) and organic loading F/M. Such systems can be designed as carbon oxidation systems, just like conventional activated sludge (CAS), and be able to maintain the minimum secondary effluent quality (Jimenez et al., 2015). Alternately, they can achieve maximum carbon redirection by decreasing θ, when used as A system in A/B (Adsorption/Bioxidation) processes (Jimenez et al., 2015). Though HRAS configuration can be similar to CAS (HiCAS), an alternate process has been developed. High rate Contact – Stabilization (HiCS) system’s difference is the addition of an extra stage for return activated sludge (RAS) aeration (stabilization tank). The most significant difference between classic adsorption models and adsorption in a HRAS system is the nature of the adsorbent. In these models the adsorbent is inorganic (e.g activated carbon), in contrast to HRAS systems, in which it is the organic biomass. Because of the nature of the adsorbent in HRAS. Many researchers report, that mainly slowly biodegradable organic matter is being sorbed onto the cell surface by extracellular polymer substance (EPS) (Guellil et al., 2001; Jimenez et al., 2005). Some researchers characterize it as physical – chemical process, depending on electrostatic and hydrophobic interaction (Guellil et al., 2001), while others suggest that metabolic processes are also present (Xiao et al., 2011). In the literature, biosorption capacity for total COD is calculated by equations like the following, proposed by Tan and Chua (1997): CAC=(Theoretical COD-Supernatant COD)/MLSS Equation 1 where: Supernatant COD,COD in the supernatant after contact and sedimentation Theoretical COD, COD_(t=0)=(COD_iV_i+COD_rV_r)/(V_i+V_r ) Equation 2 and: COD_i,COD in wastewater supernatant COD_r,COD of RAS V_i,wastewater volumetric flowrate V_r,RAS volumetric flowrate They calculated biosorption capacity, using upstream (loaded with particles) and downstream (loaded particles were consumed – similar to stabilization) activated sludge of the bioreactor operating for: θ=7,5 h,θ_c=5 d. The range of the capacity is 23,2-99,6 (mg_COD)⁄g_MLSS , while higher values refer to the downstream activated sludge. Zhang et al. (2014) calculated the biosorption capacity of 24 h stabilized activated sludge and indicated the impact of organic loading, since capacity, increased in the range of 100-170 (mg_COD)⁄g_TSS , while the organic loading’s increase was in the range of F⁄M=0,13-0,27 mg_COD⁄mg_TSS . Argyropoulou (2019) tested the effect of DO concentration, and reported that particulate COD is being removed even under anaerobic conditions, while other fractions don’t. Jimenez et al. (2015), report that particulate COD removal efficiency drastically decreases under anaerobic conditions (DO<0,5 mg⁄l). Stabilization time, was investigated by (Modin et al., 2015), who reported decreased capacity after 1, 3 & 6 d of stabilization and Argyropoulou (2019), who observed improved biosorption capacity of the particulate COD after 1 h of stabilization, while after 24 h stabilization the capacity deteriorated, in comparison with non-aerated biomass. Biosorption tests were conducted, using batch reactors, at the Sanitary Engineering Laboratory, department of Civil Engineering, NTUA, using biomass cultivated in the contact tank of a HRAS pilot plant installed at Psyttalia WWTP, Attica, Greece and 100% synthetic wastewater (starch from rice solution), in order to simulate the particulate fraction of the wastewater COD. Calculation of the organic loading was done in terms of particulate COD. Contact time was kept constant and equal to 10 min. Α broad range of organic loadings F⁄M=0,1-4,0 g_COD/g_VSS were tested for both aerobic and anaerobic contact. Anaerobic conditions were secured by supplying gas nitrogen Ν_2↑ to the starch solution before the contact to reduce the high initial DO concentration and during the contact to ensure no surface reaeration would occur. Chemically inhibited biomass was tested (sodium azide addition) to investigate, in addition to the anaerobic tests, the possible biochemical nature of the particulate organic matter biosorption mechanism. The actual range of organic loadings of continuous HRAS system is much narrower (F⁄M=0,1-0,5 g_COD/g_VSS). In this range, stabilization hydraulic retention time’s effect was, also, investigated, aiming at the optimization of HiCS processes. Experiments were conducted, using activated sludge stabilized for θ_st=0,5-24 h, in order to define the optimum θ_st, meaning the one, that provided the maximum increase of the initial (θ_st=0) biosorption capacity, for every organic loading scenario. In conclusion, experimental data revealed the biological nature of the particulate organic matter biosorption mechanism, since the alteration of DO conditions, as well as the chemical inhibition of the biomass resulted in lower biosorption capacity for the anaerobic condition by 39%, on average. As a matter of fact, inhibited biomass wasn’t capable of any biosorption. Maximum biosorption capacity of this particular biomass (without stabilization) was quantified (ΔCOD=600 mg_COD/g_VSS) and occurred under aerobic conditions for organic loading F⁄M=2,0 g_COD/g_VSS, implying that this is the sorbent surface saturation loading. Optimum stabilization hydraulic retention time, for this particular biomass, was defined (θ_st=5 h), while the maximum capacity improvement was 65%, resulting from the F⁄M=0,1 g_COD/g_VSS loading scenario	en
heal.advisorName	Μαμάης, Δανιήλ	el
heal.advisorName	Mamais, D.	en
heal.committeeMemberName	Μαμάης, Δανιήλ	en
heal.committeeMemberName	Ανδρεαδάκης, Ανδρέας	el
heal.committeeMemberName	Παπακωνσταντής, Ηλίας	el
heal.committeeMemberName	Mamais, D.	en
heal.committeeMemberName	Andreadakis, A.	en
heal.committeeMemberName	Papakonstantis, I.	en
heal.academicPublisher	Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	77 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false