Εργαστηριακή προσομοίωση αντιδραστήρα IFAS-SBR
για την επεξεργασία στραγγιδίων αφυδάτωσης

Χατζημιτσής, Ευάνθης; Hadjimitsis, Evanthis

dc.contributor.author	Χατζημιτσής, Ευάνθης	el
dc.contributor.author	Hadjimitsis, Evanthis	en
dc.date.accessioned	2020-12-09T20:50:41Z
dc.date.available	2020-12-09T20:50:41Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/52438
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.20136
dc.description	Επιστήμη και τεχνολογία υδταικών 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	Νιτρωδοποίηση	el
dc.subject	Απονιτρωδοποίηση	el
dc.subject	Μερική νιτροποίηση	el
dc.subject	Επεξεργασία στραγγιδίων	el
dc.subject	SBR	en
dc.subject	IFAS	en
dc.subject	Nitritation	en
dc.subject	Denitritation	en
dc.subject	Wastewater treating	en
dc.subject	Treating sludge reject water	en
dc.title	Εργαστηριακή προσομοίωση αντιδραστήρα IFAS-SBR για την επεξεργασία στραγγιδίων αφυδάτωσης	el
dc.title	Experimental investigation of an IFAS-SBR system for treating sludge reject water	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Περιβαλλοντική τεχνολογία	el
heal.classification	Περιβαλλοντική μηχανική	el
heal.classification	Υγειονομική τεχνολογία	el
heal.classification	Environmental engineering	en
heal.classification	Sanitary engineering	en
heal.classification	Wastewater engineering	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-10-30
heal.abstract	Στις μέρες μας αποτελεί επιτακτική ανάγκη η συνεχής προστασία του φυσικού περιβάλλοντος και της δημόσιας υγείας. Τις τελευταίες δεκαετίες καταβάλλονται σημαντικές προσπάθειες, μέσω ερευνών και εφαρμογών πραγματικής κλίμακας, για την προστασία των υδάτινων συστημάτων και τη βελτιστοποίηση των εγκαταστάσεων επεξεργασίας υγρών αποβλήτων. Η απομάκρυνση του αζώτου, το οποίο αποτελεί το κρίσιμο ρυπαντικό φορτίο των λυμάτων, έχει μελετηθεί εκτενώς και η απομάκρυνσή του δύναται να πραγματοποιηθεί μέσω διαφόρων βιοχημικών διεργασιών στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων (ΕΕΛ). Πέρα από τη συμβατική βιολογική διεργασία της νιτροποίησης - απονιτροποίησης, τα τελευταία χρόνια έχουν εξεταστεί αρκετά συστήματα τα οποία μπορούν να επιτύχουν τη βιολογική απομάκρυνση του αζώτου μέσω της διεργασίας της νιτρωδοποίησης – απονιτρωδοποίησης. Οι εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων περιλαμβάνουν εκτός των άλλων και συστήματα επεξεργασίας της ιλύος, με σκοπό τη μείωση της υγρασίας της, αλλά και την απομάκρυνση του οργανικού και μικροβιακού της φορτίου μέσω της σταθεροποίησης και υγειονοποίησής της. Αυτό επιτυγχάνεται με την εφαρμογή διεργασιών όπως η πάχυνση, η αναερόβια χώνευση, η αφυδάτωση, η ξήρανση κ.ά., από τις οποίες προκύπτει ένα ρεύμα στραγγιδίων το οποίο μέσω επανακυκλοφορίας οδηγείται στην είσοδο της ΕΕΛ. Η αναερόβια χώνευση η οποία συνοδεύεται από αφυδάτωση της ιλύος οδηγεί στην παραγωγή ενός ρεύματος στραγγιδίων με αρκετά υψηλές συγκεντρώσεις αζώτου, που μπορεί να φτάσει το 15-20% του συνολικού φορτίου αζώτου της εισόδου της ΕΕΛ. Για το λόγο αυτό, συνίσταται η ξεχωριστή επεξεργασία της γραμμής των στραγγιδίων πριν από την επανακυκλοφορία τους, με σκοπό τη μείωση του φορτίου του αμμωνιακού αζώτου που οδηγείται στην είσοδο της ΕΕΛ. Η διεργασία της νιτρωδοποίησης/απονιτρωδοποίησης, μπορεί να χαρακτηριστεί ως μια αξιόπιστη λύση για την επεξεργασία των στραγγιδίων που προκύπτουν από την αφυδάτωση της χωνεμένης ιλύος. Για την επίτευξη της συγκεκριμένης διεργασίας, είναι απαραίτητη η ανάπτυξη μόνο των βακτηρίων που οξειδώνουν την αμμωνία σε νιτρώδη και των βακτηρίων που ανάγουν τα νιτρώδη σε αέριο άζωτο. Η συγκεκριμένη διεργασία έχει μελετηθεί και βρίσκει εφαρμογή σε διάφορους τύπους αντιδραστήρων όπως είναι οι αντιδραστήρες SBR, MBBR, IFAS, SBBR. Στην παρούσα εργασία εξετάστηκε η βελτιστοποίηση ενός εργαστηριακής κλίμακας αντιδραστήρα εναλλασσόμενης λειτουργίας με αιωρούμενη και προσκολλημένη βιομάζα (IFAS-SBR) στην απομάκρυνση του αζώτου από στραγγίδια αφυδάτωσης, με εφαρμογή της διεργασίας της νιτρωδοποίησης-απονιτρωδοποίησης. Η πειραματική εργασία έλαβε χώρα στο Εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου και είχε διάρκεια 180 ημέρες, με τη λειτουργία του αντιδραστήρα να χωρίζεται σε 3 διακριτές περιόδους, ανάλογα με το εφαρμοζόμενο ημερήσιο φορτίο αζώτου (NLR) και το βαθμό πλήρωσης του αντιδραστήρα με βιοφορείς. Η απομάκρυνση του ολικού αζωτούχου φορτίου από τα στραγγίδια αφυδάτωσης ήταν πολύ αποτελεσματική, αφού τα ποσοστά απομάκρυνσης ήταν αρκετά υψηλά καθ’ όλη τη διάρκεια λειτουργίας του συστήματος. Συγκεκριμένα, με την αύξηση του NLR από 0.39 ± 0.07 σε 0.68 ± 0.14 kg N/m³.d, παρατηρήθηκε μικρή μείωση του ποσοστού απομάκρυνσης από 97.6% σε 90.9%. Στην 3η περίοδο λειτουργίας παρά την αύξηση του NLR σε 0.79 ± 0.01 kgN/m³.d, η ολική απομάκρυνση αζώτου κυμάνθηκε σε υψηλά επίπεδα (91.3%) καθώς αυξήθηκε ο βαθμός πλήρωσης του αντιδραστήρα με βιοφορείς από 25% σε 50%. Επιπλέον, όσον αφορά το αμμωνιακό άζωτο, τα ποσοστά απομάκρυνσης προσδιορίστηκαν σε 97.8%, 91.2% και 91.6% για τις 3 περιόδους λειτουργίας αντίστοιχα. Παρά το γεγονός ότι η λειτουργία του αντιδραστήρα δεν περιλάμβανε αναερόβια φάση με σκοπό τη βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου, λόγω της σύνθεσης νέας βιομάζας και χημικής κατακρήμνισης, παρατηρήθηκε απομάκρυνση του ολικού και διαλυτού φώσφορο σε ποσοστό 43.8% και 57.9% αντίστοιχα. Όσον αφορά την προσκολλημένη βιομάζα του αντιδραστήρα, παρατηρήθηκε σταθερή αύξηση των προσκολλημένων στους βιοφορείς στερεών και του πάχους του βιοφίλμ σε όλη τη διάρκεια λειτουργίας του συστήματος IFAS-SBR. Πραγματοποιήθηκαν συνολικά 4 μετρήσεις για τον προσδιορισμό της μάζας του βιοφίλμ, με τα αποτελέσματα να δείχνουν σημαντική αύξηση από 32.9 mgTSS/βιοφορέα κατά την 1η περίοδο λειτουργίας του αντιδραστήρα σε 222.4 mgTSS/βιοφορέα, μετά από 131 ημέρες λειτουργίας του αντιδραστήρα. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν πειράματα διαλείποντος έργου (batch) για τον προσδιορισμό των ταχυτήτων νιτρωδοποίησης (AUR) και απονιτρωδοποίησης (NUR). Οι ταχύτητες νιτρωδοποίησης παρουσίασαν αρκετές διακυμάνσεις σε όλη τη διάρκεια λειτουργίας του συστήματος, με το ρυθμό να επηρεάζεται θετικά τόσο με την αύξηση του ημερήσιου φορτίου αζώτου (NLR), καθώς και με την προσθήκη βιοφορέων στον αντιδραστήρα. Οι μέσες τιμές για την ταχύτητα νιτρωδοποίησης για τις 3 περιόδους λειτουργίας υπολογίστηκαν σε 4.26 ± 1.21, 6.10 ± 1.7 και 6.80 ± 1.3 mg N/g VSS.h. Παράλληλα, τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν για τη σύγκριση του ρυθμού AUR με και χωρίς τη χρήση βιοφορέων προέκυψε το συμπέρασμα πως το βιοφίλμ επιδρά σημαντικά στη διεργασία, αφού οδήγησαν σε αρκετά υψηλότερες ταχύτητες νιτρωδοποίησης στον αντιδραστήρα IFAS-SBR σε σχέση με τα πειράματα που έγιναν χωρίς βιοφορείς, με τη μέση ταχύτητα να προσαυξάνεται κατά 53.4%. Η διακύμανση της ταχύτητας νιτρωδοποίησης που προσδιορίστηκε με την επίδραση μόνο της προσκολλημένης βιομάζας ήταν σχετικά σταθερή, με τη μέση τιμή των πειραμάτων των 2 πρώτων περιόδων λειτουργίας να υπολογίζεται σε 1.73 ± 0.62 mg N/g VSS.h. Όσο αφορά την ταχύτητα απονιτρωδοποίησης, τα αποτελέσματα οδήγησαν σε υψηλούς ρυθμούς, με πιο σημαντική τη μέγιστη ταχύτητα που υπολογίστηκε την 2η περίοδο λειτουργίας στα 46.40 mg N/g VSS.h. Η αύξηση της ημερήσιας φόρτισης αζώτου και η προσθήκη βιοφορέων στον αντιδραστήρα οδήγησε σε αύξηση των NUR, όπως ακριβώς και τους ρυθμούς AUR, με τις μέσες τιμές να υπολογίζονται σε 17.86 ± 5.32, 26.55 ± 19.07 και 26.60 ± 8.8mg N/g VSS.h. Σε αντίθεση με τα αποτελέσματα των AUR, η χρήση βιοφορέων δεν είχε σημαντική επίδραση στη διεργασία της απονιτρωδοποίησης, αφού στα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν το βιοφίλμ προσαύξησε τους ρυθμούς NUR μόλις για 12.9%.	el
heal.abstract	Nowadays it is of imperative importance to protect the environment and public health. In recent decades, significant efforts have been made, through surveys and experiments, to protect water systems and optimize wastewater treatment plants. The removal of nitrogen, which is one of the most critical nutrient in wastewater, has been extensively studied and its removal can be accomplished via different biochemical processes. In addition to the conventional nitrification - denitrification process, several systems and methods have been studied in recent years for the biological removal of nitrogen through the nitritation - denitritation route. Wastewater treatment plants (WWTP) include, among others, sludge treatment systems, in order to reduce the water content, but also to remove the organic and microbial load by stabilization and hygienisation of sludge. This is achieved by applying processes from which a stream of reject water is obtained and led to the influent of the WWTP. Anaerobic digestion accompanied by sludge dehydration leads to the production of a stream of drains with high nitrogen content, which can lead to an increase of 15-20% of the total nitrogen load of the WWTP. It is highly recommended to treat the sludge reject water separately before re-circulating it in order to reduce this load. The nitritation / denitritation method can be characterized as a reliable solution for the treatment of drains resulting from the dehydration of the digested sludge. To achieve this process, it is necessary to grow only the bacteria that oxidize ammonia to nitrite and the bacteria that reduce nitrite to nitrogen gas. This process has been studied and finds application in various types of reactors such as SBR, MBBR, IFAS, SBBR reactors. On this postgraduate thesis, the effectiveness of an Integrated Fixed-Biofilm and Activated Sludge Sequencing Batch Reactor (IFAS-SBR) in the removal of nitrogen from sludge reject water was examined, by applying the nitritation-denitritation process. The experimental work took place at the Laboratory of Sanitary Technology of the National Technical University of Athens and lasted 174 days, with the operation being divided into 3 separate time periods, depending on the nitrogen load rate (NLR) and the biocarrier filling capacity in the reactor. The removal of the total nitrogen load from the reject water was satisfying, as the removal rates were quite high throughout the operation of the system. Specifically, the increase of NLR from 0.39 ± 0.07 to 0.68 ± 0.14 kg N/m³.d during the 2nd period, led to a decrease of the removal rate from 97.6% to 90.9%. During the 3rd operating period, despite the increase of NLR to 0.79 ± 0.01 kg N/m³.d, the nitrogen removal rate was kept at high levels (91.3%) due to the increase of the reactor filling volume with biocarriers from 20 % to 50%. Significant results were also presented with regard to ammonia nitrogen since the removal rates were determined at 97.8%, 91.2% and 91.6% for the 3 operating periods respectively. Due to biomass synthesis and chemical precipitation, appreciable phosphorus removal was observed. The average removal rates for total and soluble phosphorus were calculated at 43.8% and 57.9% respectively. In addition, a steady increase in attached solids and biofilm thickness was observed throughout the operation of the IFAS-SBR system. A total of 4 batch experiments were performed to determine the mass of the biofilm, with a significant increase shown, from 32.9 to 222.4 mg TSS/biocarrier, in 131 days of reactor operation. Finally, a series of batch experiments were conducted to determine the nitritation (AUR) and denitritation (NUR) rates. AURs fluctuated considerably throughout the operation of the system, with the rate being positively affected both by the NLR and the biocarrier filling volume increase. The mean values for the nitritation rate for the 3 operating periods were calculated at 4.26, 6.10 and 6.80 mg N/g VSS.h. At the same time, the experiments performed to compare the AUR rate with and without the use of biocarriers showed that the biofilm had a significant effect on the process, as they led to much higher nitritation rates in the IFAS-SBR reactor compared to experiments performed without biocarriers, with the average AUR increasing by 53.4%. The variation of the AUR determined by the effect of attached biomass only was relatively constant, with the mean value for the first 2 operating periods being estimated at 1.73 ± 0.62 mg N/g VSS.h. In terms of denitritation, the results led to significantly high rates, especially during the 2nd 3rd period, when the maximum rate occurred at 46.40 mg N/g VSS.h and 40.1 mg N/g VSS.h, respectively. The NLR increase led to an increase in NUR, just like AUR rates, with average values being estimated at 17.86, 26.55 and 24.79 mg N/g VSS.h. In contrast to the AUR results, the use of biocarriers did not have a significant effect on the denitritation process, as in the biofilm experiments the NUR rates increased by only 12.9%.	en
heal.advisorName	Μαλαμής, Συμεών-Αλέξανδρος	el
heal.committeeMemberName	Παπακωνσταντής, Ηλίας	el
heal.committeeMemberName	Μαμάης, Δανιήλ	el
heal.committeeMemberName	Μαλαμής, Συμεών-Αλέξανδρος	el
heal.academicPublisher	Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	99 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false