Επίδραση του ελεύθερου νιτρώδους οξέος και της ελεύθερης αμμωνίας στην ανοξική δράση των πολυφωσφορικών βακτηρίων

Χαραλάμπους, Βέρα; Charalampous, Vera

dc.contributor.author	Χαραλάμπους, Βέρα	el
dc.contributor.author	Charalampous, Vera	en
dc.date.accessioned	2022-02-18T14:37:36Z
dc.date.available	2022-02-18T14:37:36Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/54766
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.22464
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	Ελεύθερη αμμωνία	el
dc.subject	Ελεύθερο νιτρώδες οξύ	el
dc.subject	Πολυφωσφορικά βακτήρια	el
dc.subject	Βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου	el
dc.subject	Ανοξική δράση πολυφωσφορικών βακτηρίων	el
dc.subject	Free ammonia	en
dc.subject	Polyphosphate accumulating organisms	en
dc.subject	Free nitrous acid	en
dc.subject	Biological phosphorus removal	en
dc.subject	Denitrifying polyphosphate accumulating organisms	en
dc.subject	SBR	en
dc.subject	Μηχανισμός αναχαίτισης	el
dc.title	Επίδραση του ελεύθερου νιτρώδους οξέος και της ελεύθερης αμμωνίας στην ανοξική δράση των πολυφωσφορικών βακτηρίων	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-06-28
heal.abstract	Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει σαν στόχο τη διερεύνηση της επίδρασης της ελεύθερης αμμωνίας και του ελεύθερου νιτρώδους οξέος στην ανοξική δράση των πολυφωσφορικών βακτηριδίων. Ο φώσφορος και το άζωτο, αν και αποτελούν θρεπτικές ουσίες απαραίτητες για τους οργανισμούς, όταν βρίσκονται σε περίσσεια μπορούν να επιδεινώσουν την οικολογική κατάσταση ενός υδάτινου σώματος, προκαλώντας φαινόμενα ρύπανσης. Ως εκ τούτου, η απομάκρυνσή τους στις Εγκαταστάσεις Επεξεργασίας Λυμάτων (ΕΕΛ) πριν τη τελική διάθεσή τους στο υδάτινο περιβάλλον είναι απαραίτητη. Η εφαρμογή βιολογικών μεθόδων για την επεξεργασία τους κερδίζει έδαφος τα τελευταία χρόνια, καθώς αποτελεί μια οικονομική, αποτελεσματική και περιβαλλοντικά φιλική οδό. Η βιολογική μέθοδος που χρησιμοποιείται συνήθως για την απομάκρυνση του αζώτου είναι η οδός της νιτροποίησης – απονιτροποίησης. Παρ’ όλα αυτά, η εφαρμογή της πιο σύντομης οδού, δηλαδή της νιτρωδοποίησης – απονιτρωδοποίησης, είναι πολύ υποσχόμενη, εφόσον εξοικονομεί οξυγόνο, άνθρακα και κόστος. Όσον αφορά το φώσφορο, η βιολογική απομάκρυνση του γίνεται από τα πολυφωσφορικά βακτηρίδια, τα οποία είναι σε θέση να προσλαμβάνουν οργανικές ενώσεις εκλύοντας φώσφορο υπό αναερόβιες συνθήκες και να δεσμεύουν φώσφορου, οξειδώνοντας τις αποθηκευμένες οργανικές ουσίες, παρουσία αποδέκτη ηλεκτρονίων. Οι μικροοργανισμοί αυτοί είναι σε θέση να απονιτρωδοποιούν, οπότε είναι εφικτός ο συνδυασμός της νιτρωδοποίησης – απονιτρωδοποίησης με την βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου. Από την άλλη, η εφαρμογή της βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου ενδέχεται να παρουσιάσει αστοχία, κυρίως λόγω τοξικών ουσιών που επηρεάζουν τη συμπεριφορά των πολυφωσφορικών βακτηριδίων ή των ανταγωνισμό τους με άλλα βακτήρια. Άρα, η κατανόηση της δράσης τους είναι πολύ σημαντική. Σε αυτά τα πλαίσια, αναπτύχθηκαν και μελετήθηκαν πολυφωσφορικά βακτηρίδια στο Εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας του Ε.Μ.Π. σε έναν αντιδραστήρα εναλλασσόμενων φάσεων λειτουργίας (SBR), όπου χρησιμοποιήθηκε βιομάζα από την ΕΕΛ στη Ψυττάλεια. Ο αντιδραστήρας λειτούργησε από τις 16 Σεπτεμβρίου 2020 μέχρι τις 25 Απριλίου 2021 και τροφοδοτείτο καθημερινά με στραγγίδια προερχόμενα από τη μονάδα αφυδάτωσης, η οποία βρίσκεται κατάντη της αναερόβιας χώνευσης στην αντίστοιχη γραμμής ιλύος. Τα στραγγίδια αυτά περιέχουν υψηλό φορτίο αζώτου και φωσφόρου και επανακυκλοφορούν στο βιολογικό αντιδραστήρα, αυξάνοντας το φορτίο των θρεπτικών στον αντιδραστήρα. Αυτό μπορεί να επηρεάσει τις βιολογικές διεργασίες των μικροοργανισμών και ίσως οδηγήσει σε αστοχία του συστήματος, γι’ αυτό κρίνεται απαραίτητη η επεξεργασία τους σε ξεχωριστή γραμμή στραγγιδίων. Η φόρτιση του συστήματος ξεκίνησε από τα 0.061 g NH4-N/m3/d και έφτασε μέχρι τα 0.155 g NH4-N/m3/d. Τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του αντιδραστήρα SBR ρυθμίστηκαν ώστε να ευνοηθεί η ανάπτυξη πολυφωσφορικών βακτηριδίων με δυνατότητα απονιτρωδοποίησης (DPAOs). Τα πολυφωσφορικά βακτηρίδια που καλλιεργήθηκαν, ανέπτυξαν ικανοποιητικές ταχύτητες αερόβιας και ανοξικής πρόσληψης φωσφόρου και καλή απονιτρωδοποιητική ικανότητα. Η ομαλή λειτουργία του συστήματος ελεγχόταν σε καθημερινή βάση, ενώ διερευνήθηκε η δράσης της ελεύθερης αμμωνίας και του ελεύθερου νιτρώδους οξέος, δηλαδή των τοξικών μορφών της αμμωνίας και των νιτρωδών, αντίστοιχα, στην ανοξική συμπεριφορά των πολυφωσφορικών βακτηριδίων. Το ελεύθερο νιτρώδες οξύ έχει ήδη αποδειχθεί ανασταλτικό στην δράση των DPAOs σε προηγούμενη εργασία, χωρίς να έχει όμως προσδιοριστεί ο μηχανισμός αναχαίτισης, ενώ η επίδραση της ελεύθερης αμμωνίας δεν έχει ακόμα ερευνηθεί. Εκτελέστηκαν πειράματα ασυνεχούς ροής (batch) για pH = 8 και συγκεντρώσεις αμμωνιακού αζώτου NH4-N = 70 – 240 mg/L (αντίστοιχες συγκεντρώσεις ελεύθερης αμμωνίας NH3-N = 7.4 – 25.8) και για pH = 8.5 και συγκεντρώσεις αμμωνιακού αζώτου NH4-N = 140 – 260 mg/L (αντίστοιχες συγκεντρώσεις ελεύθερης αμμωνίας NH3-N = 5.1 – 9.6), όπου προσδιοριζόταν ο ανοξικός ρυθμός πρόσληψης φωσφόρου από τα πολυφωσφορικά βακτήρια (PUR) παρουσία ή μη αμμωνιακού αζώτου, βάση του οποίου προέκυπτε ο βαθμός αναχαίτισης της απομάκρυνσης φωσφόρου. Από τα πειράματα αυτά, επιβεβαιώθηκε ότι η ελεύθερη αμμωνία ήταν ο ανασταλτικός παράγοντας στην ανοξική δέσμευση φωσφόρου. Η συσχέτιση μεταξύ του βαθμού αναχαίτισης και της συγκέντρωσης της ελεύθερης αμμωνίας περιγράφεται με λογαριθμική καμπύλη. Δεν φάνηκε να επηρεάζεται ο αναερόβιος ρυθμός κατανάλωσης COD των πολυφωσφορικών βακτηριδίων, ούτε η αναερόβια έκλυση φωσφόρου από την παρουσία της ελεύθερης αμμωνίας. Επιπλέον, η συμπεριφορά της ανοξικής δέσμευσης φωσφόρου συγκρίθηκε με την αερόβια δέσμευση φωσφόρου από προηγούμενες εργασίες και αποδείχθηκε ότι οι δύο ρυθμοί πρόσληψης παρουσιάζουν αντίστοιχη ευαισθησία στην τοξικότητα της ελεύθερης αμμωνίας. Με την αύξηση της αμμωνιακής φόρτισης του συστήματος από τα 0.1 g/m3/d στα 0.155 g/m3/d ο ανοξικός ρυθμός πρόσληψης φωσφόρου παρουσίασε αντίστοιχη μείωση κατά 50%, ενώ γενικά αποτελούσε το 35 – 40% του αντίστοιχου αερόβιου ρυθμού. Για συγκεκριμένη συγκέντρωση αμμωνιακού αζώτου, αυξανομένου του pH σημειώνεται μεγαλύτερη αναχαίτιση, λόγω της υψηλότερης συγκέντρωσης της ελεύθερης αμμωνίας. Στη συνέχεια, υλοποιήθηκαν πειράματα για τον προσδιορισμό του μηχανισμού αναχαίτισης λόγω της ελεύθερης αμμωνίας και αντίστοιχα πειράματα για το ελεύθερο νιτρώδες οξύ. Η αναχαίτιση του ελεύθερου νιτρώδους οξέος στην δράση των DPAOs ακολουθεί ένα non – competitive μοντέλο. Η μαθητική περιγραφή του μοντέλου της αναχαίτισης της ελεύθερης αμμωνίας στη δράση των DPAOs περιγράφεται από ένα uncompetitive μοντέλο. Η σταθερά αναχαίτισης του μοντέλου αυτού ισούται με 10 mg/L και ταυτίζεται με την αντίστοιχη σταθερά αναχαίτισης των PAOs. Τέλος, αποδείχθηκε ότι τόσο το συμβατικό uncompetitive μοντέλο, όσο και το μοντέλο της Levenspiel (1980) δίνουν εξίσου ικανοποιητικά αποτελέσματα για την περιγραφή του φαινομένου της αναχαίτισης.	el
heal.abstract	The presence Diploma Thesis investigates the effect of free ammonia and free nitrous acid on the anoxic behavior of the Polyphosphate Accumulating Organisms (PAOs). Phosphorus and nitrogen are essential nutrients for all living organisms, but when presenting in excess, they are known to worsen the ecological condition of a water body, causing severe pollution problems. Therefore, the removal of these elements in Wastewater Treatment Plants (WWTP) before their final disposal in the aquatic environment is necessary. The application of biological methods for their processing is becoming popular, since they are economical, efficient and environmentally friendly. The biological method commonly used to remove nitrogen is the nitrification - denitrification pathway. Nevertheless, the implementation of the shortest route, nitritation - denitritation, is very promising, as it is beneficiary in regard to oxygen, carbon source and cost. Concerning phosphorus’ biological removal, it is achieved by polyphosphate bacteria, which are able to take up organic substrate under anaerobic conditions with simultaneous phosphorus release, and to bind phosphorus, by oxidizing the stored organic matter, in the presence of an electron acceptor. These microorganisms have the ability of denitritation, so it is possible to combine nitritation - denitritation with biological phosphorus removal. On the other hand, the application of biological phosphorus removal may fail, mainly due to toxic substances that affect the activity of PAOs or their competition with other bacteria. Therefore, understanding their behavior is very important. Following this purpose, a population of polyphosphate bacteria was developed and studied in the Laboratory of Sanitary Engineering of NTUA, in a Sequencing Batch Reactor (SBR) with mixed liquor from the WWTP of Psyttalia. The reactor operated from 16 September 2020 until 25 April 2021 and was fed daily with reject water from dewatering unit, following conventional anaerobic digestion process from the respective sludge line. This reject water contains high concentrations of nitrogen and phosphorus and recirculates to the biological reactor, increasing the nutrient load in the reactor. This can affect the biological processes of the microorganisms and may lead to system failure, so it is vital to treat it separately, prior to its recirculation. Ammonia load of the system started from 0.061 g NH4-N/m3/d and reached up to 0.155 g NH4-N/m3/d. The functional characteristics of the SBR were adjusted to favor the growth of denitrifying polyphosphate accumulating organisms (DPAOs). The cultured bacteria developed satisfactory aerobic and anoxic phosphorus uptake rates and good ability of denitritation. The performance of the system was monitored on a daily basis, while the effects of free ammonia and free nitrous acid, the toxic forms of ammonia and nitrite respectively, on the anoxic behavior of polyphosphate bacteria were investigated. Free nitrous acid has already been shown to inhibit the anoxic activity of DPAOs in a previous study, but the mechanism of inhibition has not been determined, while the effect of free ammonia has not yet been investigated. Batch experiments were performed for pH = 8 and ammonium nitrogen concentrations NH4-N = 70 - 240 mg / L (corresponding free ammonia concentrations NH3-N = 7.4 - 25.8) and for pH = 8.5 and ammonium nitrogen concentrations NH4-N = 140 - 260 mg / L (corresponding concentrations of free ammonia NH3-N = 5.1 - 9.6), where the anoxic phosphorus uptake rate (PUR) by polyphosphate bacteria was determined in the presence or absence of ammonium nitrogen, based on which the inhibition of phosphorus removal was calculated. The results of these experiments confirmed that free ammonia was the inhibitor of phosphorus anoxic uptake. The correlation between the degree of inhibition and the concentration of free ammonia is described by a logarithmic curve. The rate of anaerobic COD consumption by the polyphosphate bacteria did not appear to be affected, nor did the anaerobic release of phosphorus, in the presence of free ammonia. In addition, the behavior of the anoxic PUR was compared with the aerobic PUR, which was investigated in previous studies and it was proved that the two uptake rates show a similar sensitivity to the free ammonia’s toxicity. The increase of ammonia load of the system from 0.1 g/m3/d to 0.155 g/m3/d resulted to anoxic PUR’s decrease by 50%, while the anoxic PUR was generally equal to 35 - 40% of the corresponding aerobic rate. For a certain ammonium concentration, greater inhibition was observed when pH was higher, due to the higher concentration of free ammonia. In addition, experiments were performed to determine the inhibitive mechanism of free ammonia and free nitrous acid on DPAOs. Results indicate a non-competitive mode of inhibition of free nitric acid and an uncompetitive mode of inhibition of free ammonia. The inhibition constant of free ammonia’s model is equal to 10 mg/L, identical to the corresponding inhibition constant of PAOs. It was proved that both the conventional uncompetitive model and the model of Levenspiel (1980) can satisfactorily describe the inhibition of free ammonia in DPAOS.	en
heal.advisorName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Μαλαμής, Σημεών	el
heal.committeeMemberName	Παπακωνσταντής, Ηλίας	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	219 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false