Διερεύνηση της επίδρασης διαφορετικών λειτουργικών παραμέτρων σε αναερόβιο αντιδραστήρα ανοδικής ροής, τύπου UASB, για την επεξεργασία συνθετικών αστικών λυμάτων

Χατζημιτσή, Έλπη; Hadjimitsi, Elpi

dc.contributor.author	Χατζημιτσή, Έλπη	el
dc.contributor.author	Hadjimitsi, Elpi	en
dc.date.accessioned	2022-02-09T13:01:43Z
dc.date.available	2022-02-09T13:01:43Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/54623
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.22321
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	el
dc.subject	Αντιδραστήρας ανοδικής ροής	el
dc.subject	Αστικά λύματα	el
dc.subject	Αντιδραστήρας UASB	el
dc.subject	Συνθετικά λύματα	el
dc.subject	Anaerobic treatment	en
dc.subject	UASB	en
dc.subject	Municipal wastewater	en
dc.subject	Operating parameters	en
dc.subject	Synthetic wastewater	en
dc.title	Διερεύνηση της επίδρασης διαφορετικών λειτουργικών παραμέτρων σε αναερόβιο αντιδραστήρα ανοδικής ροής, τύπου UASB, για την επεξεργασία συνθετικών αστικών λυμάτων	el
dc.title	The effect of different operating parameters on the performance of upflow anaerobic sludge blanket reactor (UASB) for the treatment of synthetic municipal wastewater	en
dc.contributor.department	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος. Εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Επιστήμη & τεχνολογία υδατικών πόρων	el
heal.classification	Water resources science and technology	en
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-06-29
heal.abstract	Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία εξετάστηκε η επίδραση διαφόρων λειτουργικών παραμέτρων σε έναν αναερόβιο αντιδραστήρα, τύπου UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), για την επεξεργασία συνθετικών αστικών λυμάτων. Η πειραματική διερεύνηση έλαβε χώρα στο Εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου και διήρκησε 250 ημέρες. Οι παράμετροι που επιλέχθηκαν να διερευνηθούν ήταν η εσωτερική ανακυκλοφορία, ο υδραυλικός χρόνος παραμονής (HRT), η ταχύτητα ανοδικής ροής (Vup) και η συγκέντρωση του COD στα εισερχόμενα λύματα. Η λειτουργία του αντιδραστήρα UASB διακρίθηκε σε 3 φάσεις λειτουργίας, ανάλογα με την παράμετρο που εξεταζόταν κάθε φορά. Η θερμοκρασία λειτουργίας του αντιδραστήρα διατηρήθηκε σταθερή και ήταν κοντά στους 20 °C σε όλη τη διάρκεια λειτουργίας. Κατά την 1η φάση λειτουργίας διερευνήθηκε η επίδραση της ανακυκλοφορίας στην απόδοση του συστήματος. Για το λόγο αυτό, εφαρμόστηκαν 2 διαφορετικά εύρη τιμών ανακυκλοφορίας (3-6Q και 8-9Q, με Vup = 0.15 – 0.25 m/h και 0.32 m/h αντίστοιχα), με τον υδραυλικό χρόνο παραμονής να παραμένει σταθερός και ίσος με 24 h. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, η αύξηση της ανακυκλοφορίας από 3-6Q σε 8-9Q οδήγησε σε ποσοστιαία αύξηση της μέσης απομάκρυνσης ολικού και διαλυτού COD κατά 16.9% και 7.7% αντίστοιχα. Η βελτίωση της απόδοσης του αντιδραστήρα ως προς την απομάκρυνση του οργανικού φορτίου με την αύξηση της ανακυκλοφορίας, οφείλεται στην επίτευξη μεγαλύτερης ομοιογένειας εντός της κλίνης του αντιδραστήρα, καθώς βελτιώνονται οι συνθήκες ανάμιξης και αυξάνεται η επαφή της ιλύος με τα προς επεξεργασία λύματα, ενώ παράλληλα μειώνονται τα προβλήματα βραχυκύκλωσης της ροής και οι νεκροί όγκοι στην αντιδραστήρα. Το παραγόμενο μεθάνιο καθ’ όλη τη διάρκεια της 1ης φάσης ήταν ίσο με 0.12 L/g CODαπομ. (1.1±0.16 L CH4/d). Στη 2η φάση λειτουργίας εφαρμόστηκαν δύο διαφορετικοί υδραυλικοί χρόνοι παραμονής HRT (18 h και 12 h) και δύο διαφορετικές ταχύτητες ανοδικής ροής (0.34 m/h και 0.5 m/h) στο σύστημα. Όπως προέκυψε από τα αποτελέσματα, τόσο το HRT όσο και το Vup έχουν σημαντική επίδραση στην απόδοση του αντιδραστήρα UASB, καθώς η μείωσή τους οδήγησε σε μείωση των ποσοστών απομάκρυνσης COD και ανάκτησης μεθανίου. Η μείωση του HRT από 18 h (Vup = 0.34 m/h) σε 12 h (Vup = 0.5 m/h), μείωσε τα μέσα ποσοστά απομάκρυνσης ολικού και διαλυτού COD από 74.5±10% και 79±8.7% σε 48.4±6.1% και 51.6±16.2%, αντίστοιχα. Επιπλέον, η εφαρμογή ταχύτητας ίσης με 0.34 m/h κατά τη λειτουργία του συστήματος με HRT ίσο με 12 h, μείωσε περαιτέρω την απόδοση του, με τα μέσα ποσοστά απομάκρυνσης ολικού και διαλυτού COD να ισούνται με 40.2±3.1% και 46.8±6.5%, αντίστοιχα. Η ανάκτηση μεθανίου ήταν μεγαλύτερη και ίση με 0.12 L/g CODαπομ. κατά τη λειτουργία του συστήματος με HRT= 18 h (ποσοστό ανάκτησης 46.5±0.1%), ενώ η λειτουργία με υδραυλικό χρόνο ίσο με 12 h μείωσε τα ποσοστά ανάκτησης CH4 σε 35.2±0.05% και 30.6±0.05%, όταν η Vup ήταν ίση με 0.5 και 0.34 m/h, αντίστοιχα. Οι αντίστοιχες ποσότητες παραγόμενου μεθανίου κατά την περίοδο αυτή ήταν ίσες με 0.12 L/g CODαπομ. και 0.14 L/g CODαπομ.. Κατά την 3η φάση λειτουργίας εφαρμόστηκε αυξημένη συγκέντρωση COD στα εισερχόμενα λύματα (από 0.6 σε 1 g COD/L), διατηρώντας σταθερή την οργανική φόρτιση και μεταβάλλοντας το HRT σε 20.5 h (Vup = 0.34 m/h). Η μέση απομάκρυνση ολικού και διαλυτού COD στην περίπτωση αυτή ήταν ίση με 78.6±1.9% και 79.9±2.3%, αντίστοιχα. H αύξηση της συγκέντρωσης σε συνδυασμό με την αύξηση του HRT σημείωσε τη μέγιστη παραγωγή μεθανίου (4.1±0.4 L/d), με το μέσο ποσοστό ανάκτησης CH4 να φτάνει το 60.4±0.04% (0.22 L CH4/g CODαπομ.). Κατά τη διάρκεια λειτουργίας του σταδίου αυτού σημειώθηκε αύξηση της απόδοσης του σταδίου της μεθανογένεσης από 20% σε 41%. Καθ’ όλη τη διάρκεια λειτουργίας του συστήματος παρακολουθούνταν οι τιμές των λόγων ΙΑ/ΡΑ και VFAs/TA, ώστε να ελέγχεται η ομαλή λειτουργία του αντιδραστήρα. Η συλλογή του βιοαερίου πραγματοποιούνταν με τη βοήθεια παγίδας που περιείχε NaOH. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν πειράματα διαλείποντος έργου (batch), με σκοπό τη διερεύνηση της επίδρασης της αλατότητας στην αναερόβια επεξεργασία αστικών λυμάτων. Διεξάχθηκαν 3 πειράματα batch με διαφορετικές συγκεντρώσεις Na+ και NaCl, με τη χρήση αναερόβιας χωνεμένης ιλύος από την ΕΕΛ της Ψυττάλειας και τη βοήθεια του συστήματος ΒΜΡ. Κατά την παρουσία χαμηλών συγκεντρώσεων χλωριούχου νατρίου (0.5 g NaCl/L) δεν παρουσιάστηκε κάποιο πρόβλημα στην αναερόβια επεξεργασία και στην παραγωγή μεθανίου. Αντίθετα, σε συγκεντρώσεις 1, 2, 5 και 10 g NaCl/L προσδιορίστηκε αναχαίτιση της διεργασίας της μεθανογένεσης κατά 7,55%, 11,81%, 26,75% και 33,34%, αντίστοιχα. Η παρουσία του Na+ σε σύγκριση με το Cl- αποτελεί ισχυρότερο αναχαιτιστικό παράγοντα του σταδίου τη μεθανογένεσης, καθώς υπό την παρουσία ίδιων συγκεντρώσεων είτε NaCl, είτε μόνο Na+ επέφερε μικρές αποκλίσεις όσον αφορά στα ποσοστά αναχαίτισης. Συγκεκριμένα, για συγκέντρωση 0.8 g Na+/L και της αντίστοιχης της 2 g NaCl/L η αναχαίτιση προσδιορίστηκε ίση με 3,4% και 8,2% αντίστοιχα, ενώ για συγκέντρωση ίση με 3,92 g Na+/L και της αντίστοιχης της 10 g NaCl/L, τα ποσοστά αναχαίτισης ήταν ίσα με 9,3% και 20,1%, αντίστοιχα. Τέλος, επιβεβαιώνεται ότι συγκεντρώσεις μεγαλύτερες των 6 g Na+/L μπορούν να επιφέρουν πολύ υψηλές αναχαιτίσεις στη δραστηριότητα των μικροοργανισμών, σημειώνοντας ποσοστά αναχαίτισης κατά μέσο όρο ίσα με 95%.	el
heal.abstract	This postgraduate thesis examines the effect of various operating parameters on the performance of Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) reactor for the treatment of synthetic municipal wastewater. The experimental work took place at the Sanitary Engineering Laboratory of the National Technical University of Athens and lasted 250 days. The parameters selected to be investigated were the internal recirculation, the hydraulic retention time (HRT), the upflow velocity (Vup) and the COD concentration in incoming sewage. The operation of the UASB reactor was distinguished in 3 phases of operation, depending on the parameter tested each time. The operating temperature of the reactor was maintained stable and was close to 20 °C throughout operation. During the 1st phase of operation, the effect of recirculation on system performance was investigated. For this reason, 2 different recirculation ranges (3-6Q and 8-9Q, while Vup was equal to 0.15 – 0.25 m/h and 0.32 m/h, respectively) were applied, with the HRT remaining stable and equal to 24 h. According to the results, the increase in recirculation from 3-6Q to 8-9Q resulted in an increase in the average removal of total and soluble COD by 16.9% and 7.7% respectively. The application of higher internal recirculation improved the reactor performance due to the mixing conditions and the more homogenous environment that was created, limiting the flow short-circuting effects. The methane produced throughout the 1st phase was equal to 1.1±0.16 L/d (0.12 L CH4/g CODremoved). In the 2nd phase of operation, two different hydraulic retention times (18 h and 12 h) and two different upflow velocities (0.34 m/h and 0.5 m/h) were applied to the system. As the results showed, both HRT and Vup have a significant impact on the performance of the UASB reactor, as their reduction led to a decrease in COD removal and methane recovery rates. The reduction of HRT from 18 h (Vup = 0.34 m/h) to 12 h (Vup = 0.5 m/h) reduced the average removal rates of total and soluble COD from 74.5±10% and 79±8.7% to 48.4±6.1% and 51.6±16.2%, respectively. In addition, upflow velocity equal to 0.34 m/h and HRT = 12 further reduced the performance of the reactor, since the average removal rates of total and soluble COD were equal to 40.2±3.1% and 46.8±6.5%, respectively. Methane production was greater during the operation of the system with HRT= 18 h and it was equal to 0.12 L CH4/g CODremoved (CH4 recovery rate 46.5±0.1%). The reduction of the HRT to 12 h reduced the CH4 recovery rates to 35.2±0.05% and 30.6±0.05%, when Vup was equal to 0.5 and 0.34 m/h, respectively. Methane production in this phase was equal to 0.12 L/g CODremoved and 0.14 L/g CODremoved, respectively. During the 3rd phase of operation, the application of increased concentration in incoming sewage (from 0.6 to 1 g/L) was examined, maintaining constant organic loading rate (OLR) and changing HRT to 20.5 h. The average removal rates of total and soluble COD in this case were equal to 78.6±1.9% and 79.9±2.3% respectively. The increase in the concentration of COD, combined with the increase of HRT led to the maximum methane production (4.1±0.4 L/d), with the average recovery rate CH4 reaching 60.4±0.04% (0.22 L CH4/g CODremoved). The efficiency of the stage of methanogenesis was increased from 20% to 41% at this phase of operation. Throughout the operation of the system, the values of IA/PA and VFAs/TA were monitored in order to control the stability of the reactor. Biogas was collected using a NaOH trap. Finally, a series of batch experiments were carried out to investigate the effect of salinity on anaerobic treatment of domestic wastewater. Three BMP tests were conducted, while different concentrations of Na+ and NaCl were examined. The experiments took place using anaerobic digested sludge from Psyttalia wastewater treatment plant (WWTP). Low concentrations of sodium chloride (0.5 g NaCl/L) did not present any problem in methane production. In contrast, higher concentrations inhibited the action of anaerobic microorganisms that are responsible for methane production. Methanogenesis was inhibited by 7,55%, 11,81%, 26,75% and 33,34% at concentrations of 1, 2, 5 and 10 g NaCl/L respectively. The presence of Na+ compared to Cl- is a stronger inhibitory factor at the stage of methanogenesis. A concentration of 0.8 g Na+/ L and its corresponding of 2 g NaCl/ L caused an inhibition equal to 3.4% and 8.2% respectively, while concentrations equal to 3.92 g Na+/ L and 10 g NaCl / L inhibited methanogenesis by 9.3% and 20.1%, respectively. Finally, it was confirmed that concentrations greater than 6 g Na+/L can have a significant effect on the activity of microorganisms, since inhibition rates equal to 95% were observed.	en
heal.advisorName	Μαλαμής, Συμεών-Αλέξανδρος	el
heal.committeeMemberName	Μαλαμής, Συμεών-Αλέξανδρος	el
heal.committeeMemberName	Μαμάης, Δανιήλ	el
heal.committeeMemberName	Παπακωνσταντής, Ηλίας	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	106 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false