Αναερόβια συστήματα επεξεργασίας αστικών λυμάτων με χρήση μεμβρανών: πειραματική διερεύνηση παραγωγής υδρογόνου

Παπαδοπούλου, Μαρία-Άννα; Papadopoulou, Maria-Anna

dc.contributor.author	Παπαδοπούλου, Μαρία-Άννα	el
dc.contributor.author	Papadopoulou, Maria-Anna	en
dc.date.accessioned	2021-03-30T06:18:33Z
dc.date.available	2021-03-30T06:18:33Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/53184
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.20882
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	Αναερόβια επεξεργασία αστικών λυμάτων	el
dc.subject	Βιοαντιδραστήρες μεμβρανών	el
dc.subject	Παραγωγή υδρογόνου	el
dc.subject	Σκοτεινή ζύμωση	el
dc.subject	Θειικός σίδηρος	el
dc.subject	Στοιχειακός σίδηρος	el
dc.subject	Αναστολέας μεθανογένεσης	el
dc.subject	Τριχλωριούχος σίδηρος	el
dc.subject	Anaerobic treatment	en
dc.subject	Anaerobic membrane bioreactor	en
dc.subject	Hydrogen production	en
dc.subject	Dark fermentation	en
dc.subject	Iron (II) Sulfate	en
dc.subject	Zerovalent Iron-ZVI	en
dc.subject	Methanogenesis inhibitor BES	en
dc.subject	Iron (III) Chloride	en
dc.title	Αναερόβια συστήματα επεξεργασίας αστικών λυμάτων με χρήση μεμβρανών: πειραματική διερεύνηση παραγωγής υδρογόνου	el
dc.title	Anaerobic membrane bioreactor for wastewater treatment; experimental investigation of hydrogen production	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Επεξεργασία λυμάτων	el
heal.classification	Wastewater treatment	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-03-10
heal.abstract	Η αναερόβια επεξεργασία λυμάτων είναι μια συνεχώς αναπτυσσόμενη μέθοδος που ερευνάται ολοένα και περισσότερο. Τα οφέλη που παρέχει, σε ό,τι έχει να κάνει με την ανάκτηση ενέργειας και την φιλικότητά της στο περιβάλλον, την καθιστούν ιδιαίτερα ελκυστική και μια μελλοντικά βιώσιμη λύση. Σε συνδυασμό με την αναερόβια επεξεργασία λυμάτων, η χρήση μεμβρανών διήθησης βελτιώνει την ποιότητα του εκρέοντος υγρού, ενώ απομακρύνεται σημαντική ποσότητα στερεών από αυτό. Σημαντικό πλεονέκτημα, ωστόσο, είναι και η παραγωγή βιοαερίου μέσω της αναερόβιας επεξεργασίας, ενώ σε πειραματικό στάδιο βρίσκεται η παραγωγή υδρογόνου. Το υδρογόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο με μηδενικό αντίκτυπο στο περιβάλλον, καθώς κατά την καύση του παράγεται μόνο νερό. Για τον λόγο αυτό, η έρευνα γύρω από την παραγωγή υδρογόνου μέσω της αναερόβιας επεξεργασίας γίνεται όλο και μεγαλύτερη. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας, η οποία πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, είναι η διερεύνηση της επίδρασης τεσσάρων πρόσθετων, τριών μορφών σιδήρου και ενός αναστολέα μεθανογένεσης, σε ένα σύστημα αντιδραστήρων AnMBR και η αξιολόγησή τους σε ό,τι έχει να κάνει με την παραγωγή υδρογόνου και την απομάκρυνση του οργανικού φορτίου. Έτσι, δημιουργήθηκε σύστημα που συμπεριελάμβανε επτά αντιδραστήρες εργαστηριακής κλίμακας. Το σύστημα αποτελούνταν από επτά αντιδραστήρες με τα εξής χαρακτηριστικά: έναν αντιδραστήρα ελέγχου (1), δύο αντιδραστήρες που περιείχαν θειικό σίδηρο (FeSO4) σε συγκεντρώσεις 8 και 15 mg/L (2 και 3), δύο αντιδραστήρες με στοιχειακό σίδηρο (Fe0) σε συγκεντρώσεις 1,5 και 15 g/L (4 και 5), έναν αντιδραστήρα με αναχαιτιστικό παραγωγής μεθανίου 2-Bromoethanesulfonate με δόση 10 mM (6) και έναν με τριχλωριούχο σίδηρο (FeCl3), με συγκέντρωση 20 mg/L (7). Όλοι οι αντιδραστήρες βρίσκονταν υπό ανάδευση, με εξαίρεση τον αντιδραστήρα που περιείχε Fe0 σε συγκέντρωση 15 g/L, και ο χρόνος παραμονής στερεών ήταν ίδιος και ίσος με 40 ημέρες. Η λειτουργία του συστήματος χωρίστηκε σε τρεις περιόδους λειτουργίας, εκ των οποίων μία περίοδο εκκίνησης και δύο βασικές, οι οποίες διαχωριστήκαν με βάση την οργανική τους φόρτιση. Η τροφοδοσία του συστήματος γινόταν με προεπεξεργασμένα λύματα και γλυκόζη καθ’όλη την διάρκεια διεξαγωγής των πειραμάτων. Πιο συγκεκριμένα, με την αύξηση της οργανικής φόρτισης του συστήματος η απομάκρυνση του διαλυτού COD μειώθηκε ελάχιστα, ενώ μειώθηκε η αντίστοιχη παραγωγή βιοαερίου, λόγω της χαμηλότερης θερμοκρασίας. Ο αντιδραστήρας που εμφάνισε την χαμηλότερη απόδοση, όσον αφορά την απομάκρυνση του διαλυτού COD, και για τις δύο βασικές περιόδους, είναι αυτός που περιείχε 2-Bromoethanesulfonate, ο οποίος κυμάνθηκε μεταξύ 55-58%. Για τον ίδιο λόγο, η συγκέντρωση του διαλυτού COD στον ίδιο αντιδραστήρα ήταν η υψηλότερη τιμή και για τις δύο περιόδους. Παράλληλα, το pH για τις δύο βασικές περιόδους κυμάνθηκε εντός του επιθυμητού εύρους που ήταν 6,8-8, με τις περισσότερες τιμές να είναι κοντά στο κατώτερο όριο. Η πτώση του pH, κατά την τρίτη περίοδο λειτουργίας, προκλήθηκε μέσω της συσσώρευσης VFAs στο σύστημα, με την μέγιστη τιμή να εμφανίζεται στον αντιδραστήρα με το αναχαιτιστικό παραγωγής μεθανίου και την ελάχιστη στον αντιδραστήρα ελέγχου. Εξαιτίας της αυξημένης οργανικής φόρτισης κατά την τρίτη περίοδο, εμφανίστηκε υπερανάπτυξη των μικροοργανισμών, προκαλώντας την αύξηση της στερεών. Οι αντιδραστήρες που περιείχαν ZVI παρουσίασαν αυξημένη συγκέντρωση δισθενούς σιδήρου, κυρίως την τρίτη περίοδο λειτουργίας, γεγονός που υποδεικνύει την αποτελεσματική αναγωγή του και την πιθανή παραγωγή υδρογόνου. Αντίστοιχα, ο αντιδραστήρας που είχε ως πρόσθετο τον τριχλωριούχο σίδηρο εμφάνισε, και για τις δύο βασικές περιόδους λειτουργίας, όμοια συγκέντρωση δισθενούς σιδήρου. Αυτό σημαίνει πως η μεταβολή της οργανικής φόρτισης δεν επηρέασε την αναγωγή του και την συσσώρευσή του στην βιομάζα. Από την εκτέλεση των πειραμάτων προέκυψε πως όλοι οι αντιδραστήρες δεν παρουσίασαν σημαντική μεταβολή όσον αφορά την απόδοσή τους, μεταξύ των δύο βασικών περιόδων λειτουργίας, δηλαδή δεν υπήρξε ξεκάθαρη επιρροή από την εκάστοτε οργανική φόρτιση. Τέλος, υδρογόνο ανιχνεύθηκε κατά την δεύτερη περίοδο στους αντιδραστήρες 5 και 7, χωρίς ωστόσο να είναι σταθερή η παραγωγή του, και για αυτό προτείνεται περαίτερω διερεύνηση όσον αφορά τον ZVI.	el
heal.abstract	Anaerobic wastewater treatment is an ever-evolving method that is being investigated more and more nowadays. It provides a lot of benefits in terms of energy recovery and eco-friendliness, something that makes it highly attractive and a sustainable solution for the future. In combination with anaerobic treatment, the usage of membrane bioreactor improves effluent quality, while it removes a significant amount of solids. However, an important advantage is biogas production through anaerobic digestion, while hydrogen production is still in an experimental stage. Hydrogen can be used as a fuel with zero impact in the environment, since the only product from its burning is water. Therefore, research on hydrogen production via anaerobic treatment has grown significantly over the last decades. The main scope of this study, which was conducted at the Laboratory of Sanitary Engineering at the National Technical University of Athens, was the investigation of four different additives, three types of iron and one methanogenic inhibitor, in an anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) system and evaluation of their behavior as far as the hydrogen production is concerned and the removal rate of organic load. Thus, a laboratory system operated and studied, consisting of seven semi-batch anaerobic reactors. The anaerobic reactors had the following operational parameters; a control reactor (1), two reactors with 8 and 15 mg/L Iron (II) Sulfate (FeSO4) (2 and 3), two reactors with 1,5 and 15 g/L Zerovalent Iron (ZVI) (4 and 5), one reactor with 2-Bromoethanesulfonate (BES) in 10 mM (6) and one reactor with 20 mg/L Iron (III) Chloride (FeCl3) (7). Each of them was being stirred, except the one with concentration of ZVI equal to 15 g/L. All reactors operated with a Solids’ Retention Time (SRT) of 40 days. System operation was divided in three different time periods. The first one was start-up period and the following two were periods of stable conditions, which differed in terms of organic loading rate. The system was fed with pre-treated wastewater and glucose throughout the whole experimental period. More specifically, when the organic load rate was increased, soluble COD (Chemical Oxygen Demand) removal had a slight decrease, while biogas production had a significant fall due to lower temperature. The lowest diluted COD removal, for both second and third time period, had 2-Bromoethanesulfonate reactor, and it was fluctuated from 55% to 58%. As a result, soluble COD concentration in this reactor was the highest. Furthermore, pH for both main periods was sustained between 6.8 and 8, with many of measurements being mostly in the lower range. pH reduction was caused due to VFAs (Volatile Fatty Acids) accumulation in the system, while the highest value appeared in the reactor which received 2-Bromoethanesulfonate, a methane inhibitor. Control reactor had the minimum concentration of VFAs (in mg COD/L). High organic load rate, at the third time period, caused overgrowth of microorganisms and bacteria, as a result a rise in TSS (Total Suspended Solids) and VSS (Volatile Suspended Solids) concentration occurred. Zerovalent Iron reactors had high concentration of Fe2+, especially during the third period of operation, which indicates its efficient oxidation (Fe0 to Fe2+) and the possibility of hydrogen to be produced. Moreover, FeCl3 in 7th reactor, for both of stable conditions periods, presented the same concentration of Fe2+. It can be inferred that change in organic load rate did not affect this parameter and its behavior in Fe3+ reduction to Fe2+. The results of the experimental procedure showed that change in organic load rate, between the two main periods, did not affect system performance, as far as the dissolved COD removal is concerned. Finally, hydrogen was detected, during the second period in the 5th and 7th reactor. However, its production was not stable, and therefore a further examination is proposed for Zerovalent Iron.	en
heal.advisorName	Μαμάης, Δανιήλ	el
heal.committeeMemberName	Μαλαμής, Συμεών	en
heal.committeeMemberName	Ευστρατιάδης, Ανδρέας	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος. Εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	144 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false