Διερεύνηση της επεξεργασίας συμπυκνωμένων συνθετικών αστικών λυμάτων σε αναερόβιο αντιδραστήρα ανοδικής ροής, τύπου UASB

Κωστάκη, Μαρία; Kostaki, Maria

dc.contributor.author	Κωστάκη, Μαρία	el
dc.contributor.author	Kostaki, Maria	en
dc.date.accessioned	2022-10-31T11:18:41Z
dc.date.available	2022-10-31T11:18:41Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/56048
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.23746
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υδατικών 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	Αστικά λύματα αναερόβιος αντιδραστήρας	el
dc.subject	UASB reactor	en
dc.subject	UASB municipal	en
dc.subject	Wastewater anaerobic	en
dc.title	Διερεύνηση της επεξεργασίας συμπυκνωμένων συνθετικών αστικών λυμάτων σε αναερόβιο αντιδραστήρα ανοδικής ροής, τύπου UASB	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Αναερόβια επεξεργασία αστικών λυμάτων	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-07-04
heal.abstract	Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία διερευνήθηκε η δυνατότητα επεξεργασίας συμπυκνωμένων συνθετικών αστικών λυμάτων σε αναερόβιο αντιδραστήρα ανοδικής ροής, τύπου UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket). Τα συμπυκνωμένα συνθετικά αστικά λύματα που χρησιμοποιήθηκαν ως τροφοδοσία στον αναερόβιο αντιδραστήρα UASB, προσομοίωναν την έξοδο ενός συστήματος Φυσικής Ώσμωσης (Φ.Ω.), εργαστηριακής κλίμακας, στο οποίο τα συνθετικά αστικά λύματα συμπυκνώθηκαν με υπερτονικό διάλυμα NaCl (1.2, 2.7 και 3.0 Μ). Συγκεκριμένα, αρχικά διερευνήθηκε η απόδοση του αναερόβιου συστήματος τύπου UASB, υπό την εφαρμογή διαφορετικών εισερχόμενων συγκεντρώσεων οργανικού υλικού που δύναται να επιτευχθούν μέσω του συστήματος προ-επεξεργασίας με Φ.Ω.. Στη συνέχεια, εξετάστηκε η παρουσία των ανάλογων συγκεντρώσεων χλωριούχου νατρίου που απαντώνται στην έξοδο του συστήματος Φ.Ω. και δύνανται να επηρεάσουν τη μεθανογόνο δραστηριότητα του αναερόβιου αντιδραστήρα UASB. Η επικρατούσα θερμοκρασία κυμάνθηκε κοντά στους 20°C, καθώς ο αντιδραστήρας ήταν τοποθετημένος σε χώρο ελεγχόμενων θερμοκρασιακών συνθηκών. Επιπλέον, το pH διατηρήθηκε στα επιτρεπτά όρια (6.3 - 7.8) για τους μεθανογόνους μικροοργανισμούς, μέσω της προσθήκης ρυθμιστικού διαλύματος στα εισερχόμενα συνθετικά αστικά λύματα. Η διάρκεια λειτουργίας του συστήματος ήταν 332 ημέρες και διακρίνεται σε 5 διαφορετικές φάσεις, ανάλογα με τα βασικά λειτουργικά τους χαρακτηριστικά. Στην 1η φάση λειτουργίας εφαρμόστηκε εισερχόμενη συγκέντρωση COD ίση με 1.5±0.04 g/L, για την προσομοίωση της συμπυκνωμένης εξόδου του συστήματος Φ.Ω., υπό τη λειτουργία υπερτονικού διαλύματος NaCl 2.7 M. Η οργανική φόρτιση (1.18±0.03 gCOD/L-d) διατηρήθηκε σταθερή και ο HRT ίσος με 28.8 h. Η ταχύτητα ανοδικής ροής (0.34 m/h) παρέμεινε σταθερή με ρύθμιση της ανακυκλοφορίας στα 10Q, ενώ δεν προστέθηκε αλατότητα προκειμένου η παρούσα φάση να λειτουργήσει ως control για τις ακόλουθες φάσεις. Η απομάκρυνση ολικού COD που επιτεύχθηκε είναι ίση με 83.8±2.7%, ενώ η ποσοστιαία ανάκτηση του μεθανίου έλαβε τιμή ίση με 65.6±3.8%. Η μέση παραγωγή μεθανίου για την προκειμένη φάση ανήλθε σε 0.24±0.01 L/gCODαπομ.. Για τη 2η φάση λειτουργίας εφαρμόστηκε εισερχόμενη συγκέντρωση COD ίση με 2.0±0.04 g/L, με σκοπό την προσομοίωση της συμπυκνωμένης εξόδου του συστήματος Φ.Ω., υπό τη λειτουργία υπερτονικού διαλύματος NaCl 3.0 M. Η οργανική φόρτιση (1.18±0.04 gCOD/L-d) παρέμεινε σταθερή μέσω της εφαρμογής υψηλότερης εισερχόμενης συγκέντρωσης COD και HRT ίσου με 41.7 h. Η ταχύτητα ανοδικής ροής (0.34 m/h) παρέμεινε σταθερή με ρύθμιση της ανακυκλοφορίας στα 15Q, ενώ και πάλι δεν προστέθηκε αλατότητα προκειμένου η παρούσα φάση να λειτουργήσει ως control για τις ακόλουθες φάσεις. Η ποσοστιαία απομάκρυνση του ολικού COD που κατεγράφη είναι ίση με 87.5±2.1%, η ποσοστιαία ανάκτηση του παραγόμενου μεθανίου είναι ίση με 75.0±2.2% και η μέση παραγωγή μεθανίου ίση με 0.28±0.01 L/gCODαπομ.. Η εφαρμογή εισερχόμενης συγκέντρωσης COD ίσης με 1.0±0.04 g/L και η προσθήκη αλατότητας σε συγκέντρωση ίση με 0.3 gNaCl/L, για την προσομοίωση της συμπυκνωμένης εξόδου του συστήματος Φ.Ω., υπό τη λειτουργία υπερτονικού διαλύματος NaCl 1.2 M, έγινε στην 3η φάση λειτουργίας. Η οργανική φόρτιση διατηρήθηκε σταθερή (1.14±0.05 gCOD/L-d) μέσω της εφαρμογής εισερχόμενης συγκέντρωσης COD ίσης με 1.0±0.04 g/L και HRT ίσου με 20.5 h. Αντίστοιχα, η ταχύτητα ανοδικής ροής (0.34 m/h) ρυθμίστηκε με την εφαρμογή ανακυκλοφορίας ίσης με 7Q. Στην 3η φάση λειτουργίας, το ποσοστό απομάκρυνσης του ολικού COD είναι ίσο με 83.9±4.0% και η ανάκτηση του μεθανίου είναι ίση με 51.4±4.6%. Η μέση παραγωγή μεθανίου ανήλθε σε 0.19±0.01 L/gCODαπομ.. Στην 4η φάση διερευνήθηκε η εφαρμογή εισερχόμενης συγκέντρωσης COD ίσης με 1.5±0.05 g/L και η προσθήκη αντίστοιχης συγκέντρωσης αλατότητας (1.2 gNaCl/L), για την προσομοίωση της συμπυκνωμένης εξόδου του συστήματος Φ.Ω., υπό τη λειτουργία υπερτονικού διαλύματος NaCl 2.7 M. Η οργανική φόρτιση (1.29±0.05 gCOD/L-d) ρυθμίστηκε με την εφαρμογή εισερχόμενης συγκέντρωσης COD ίσης με 1.5±0.05 g/L και HRT ίσου με 28.8 h. Η ταχύτητα ανοδικής ροής (0.34 m/h) παρέμεινε σταθερή μέσω της ρύθμισης της ανακυκλοφορίας σε 10Q. Το ποσοστό απομάκρυνσης ολικού COD προέκυψε ίσο με 89.4±1.6%, το ποσοστό ανάκτησης μεθανίου ίσο με 66.7±6.9% και η μέση παραγωγή μεθανίου ίση με 0.25±0.03 L/gCODαπομ.. Στην 5η φάση λειτουργίας εφαρμόστηκε εισερχόμενη συγκέντρωση COD ίση με 2.0±0.04 g/L και προστέθηκε αντίστοιχη συγκέντρωση αλατότητας (2.0 g NaCl/L), για την προσομοίωση της συμπυκνωμένης εξόδου του συστήματος Φ.Ω., υπό τη λειτουργία υπερτονικού διαλύματος NaCl 3.0 M. Η οργανική φόρτιση (1.19±0.03 gCOD/L-d) ρυθμίστηκε μέσω της εφαρμογής εισερχόμενης συγκέντρωσης COD ίσης με 2.0±0.04 g/L και HRT ίσο με 41.7 h. Η ταχύτητα ανοδικής ροής παρέμεινε σταθερή (0.34 m/h) με ρύθμιση της ανακυκλοφορίας σε 15Q. Η ποσοστιαία απομάκρυνση του ολικού COD που καταγράφηκε είναι ίση με 93.3±0.9%, ενώ η ποσοστιαία ανάκτηση του παραγόμενου μεθανίου είναι ίση με 71.4±4.3%. Η μέση παραγωγή μεθανίου για την πέμπτη φάση είναι ίση με 0.26±0.02 L/gCODαπομ.. Σε όλες τις υπό εξέταση φάσεις, η ρύθμιση της οργανικής φόρτισης έγινε μέσω της αύξησης της εισερχόμενης συγκέντρωσης COD με επακόλουθη την αύξηση του υδραυλικού χρόνου παραμονής. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν καταδεικνύουν ότι η ποσοστιαία απομάκρυνση COD δεν διαφοροποιείται σημαντικά μεταξύ των φάσεων. Ωστόσο, η απόδοση του αντιδραστήρα ως προς την ανάκτηση μεθανίου παρατηρείται πως αυξάνεται, καθώς αυξάνεται η συμπύκνωση των εισερχόμενων λυμάτων. Αντίστοιχα, καταγράφεται μείωση στις αποκλίσεις των ισοζυγίων μάζας του COD μεταξύ των διαφορετικών λειτουργικών φάσεων, οι οποίες πιθανώς οφείλονται στη συγκεντρωση του διαλυτού μεθανίου, η οποία, στην παρούσα διπλωματική, υπολογίστηκε θεωρητικά βάσει της επικρατούσας θερμοκρασίας (20°C). Καθ΄όλη τη διάρκεια λειτουργίας του συστήματος καταγράφονταν οι τιμές των λόγων ΙΑ/ΡΑ και VFAs/TA για την διασφάλιση της ομαλής λειτουργίας του συστήματος και βρέθηκαν για όλες τις φάσεις εντός του επιθυμητού εύρους τιμών. Η μεθανογόνος δραστηριότητα στον αναερόβιο αντιδραστήρα τύπου UASB παρέμεινε υψηλή καθ’ όλη τη διάρκεια της παρούσας διπλωματικής εργασίας χωρίς να παρατηρείται έντονη διαφοροποίηση της απόδοσης του αντιδραστήρα μεταξύ των φάσεων όπου προστέθηκε αλατότητα. Με βάση τα παραπάνω, συμπεραίνεται ότι ο συνδυασμός του υπό μελέτη αναερόβιου συστήματος UASB με το σύστημα της Φ.Ω. παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον, καθώς για τις συγκεντρώσεις αλατότητας που διερευνήθηκαν (από 0.3 έως 2.0 gNaCl/L) και απαντώνται στην έξοδο του συστήματος Φ.Ω., δεν επηρεάστηκε η δραστηριότητα των μεθανογόνων μικροοργανισμών και κατ’ επέκταση η συνολική λειτουργία του αναερόβιου συστήματος UASB. Ως αποτέλεσμα, η ανάκτηση μεθανίου είναι παρόμοια όταν εφαρμόζονται συμπυκνωμένα αστικά λύματα με αλατότητα σε σύγκριση με τα συμπυκνωμένα αστικά λύματα χωρίς αλατότητα.	el
heal.abstract	This master thesis aims to investigate the possibility of treating concentrated synthetic municipal wastewater in an anaerobic up-flow sludge blanket (UASB) reactor. The concentrated synthetic municipal wastewater was used as influent into the UASB reactor, simulating the effluent of a laboratory-scale Forward Osmosis (F.O.) system operated with different concentrations of NaCl as draw solution (1.2, 2.7 and 3.0 M). Specifically, the performance of the UASB reactor was initially investigated, under the application of different influent COD concentrations that can be achieved by the pre-treatment system of the F.O. Subsequently, the effect of different NaCl concentrations on the concentrated FO effluent was investigated, since the presence of NaCl can act as an inhibitor for the methanogenic microorganisms of the anaerobic system. The prevailing temperature was close to 20°C, as the reactor was placed in a controlled room temperature. In addition, the pH was maintained within the permissible limits (6.3 - 7.8) for methanogenic activity by adding a buffer to the incoming synthetic municipal wastewater. The operating time of the system was 332 days and is divided into 5 different phases, depending on their basic operational characteristics. In the 1st operational phase, an influent COD concentration of 1.5±0.04 g/L was applied to the UASB reactor, to simulate the concentrated FO effluent operated with NaCl 2.7M as draw solution. The organic loading rate (OLR) (1.18±0.03 gCOD/L-d) remained constant and the HRT equal to 28.8 h. The up-flow velocity (0.34 m/h) was adjusted by applying a recirculation rate of 10Q, while no salinity was added for the current phase to serve as control for the following studies. The UASB reactor achieved an average CODtotal removal rate of 83.8±2.7%, while the average methane recovery rate and yield were 65.6±3.8and 0.24±0.01 L/gCODrem, respectively. In the 2nd operational phase, an increased COD concentration of 2.0±0.04 g/L was used as influent to simulate the concentrated FO effluent operating with a 3M NaCl as draw solution. The OLR (1.18±0.04 gCOD/L-d) remained constant with the previous phase by applying a higher influent COD concentration and the HRT of 41.7 h. The up-flow velocity (0.34 m/h) was adjusted by applying 15Q as recirculation rate, while no salinity was added for the current phase, in order to act as control for the following studies. The UASB reactor achieved an average CODtotal removal rate of 87.5±2.1%, while the average methane recovery rate and yield were 75.0±2.2% and 0.28±0.01 L/gCODrem, corresponding. During the 3rd phase, the influence of salinity on the anaerobic system was investigated for the first time. Specifically, the effluent from the pre-concentration system, which was operated with a 1.2M NaCl as draw solution, was simulated and used as influent into the UASB reactor. The salt concentration detected in the FO effluent and added to the UASB influent was equivalent to 0.3 g NaCl/L. The OLR was regulated by implementing a COD concentration of 1.0±0.04 g/L and a HRT value of 20.5 h. The up-flow velocity remained at the same level as in the previous phases (0.34 m/h) by applying 7Q recirculation rate. The UASB reactor reached an average CODtotal removal rate of 83.9±4%, while the average methane recovery rate and yield were 51.4%±4.6% and 0.19±0.01 L/gCODrem, respectively. In the 4th phase, the concentration of both COD and salinity in the incoming wastewater was increased. Specifically, the concentration of the former and the latter parameter was set to 1.5±0.05 g/L and 1.2 g NaCl/L, respectively, to simulate the FO effluent under the operation of 2.7 M NaCl as draw solution. Consistent with the previous phases, the OLR (1.29±0.05 gCOD/L-d) was adjusted by increasing the influent COD concentration and the HRT (28.8 h). The up-flow velocity (0.34 m/h) remained constant by adjusting the recirculation to 10Q. In this phase, the UASB reactor achieved an average CODtot removal rate of 89.4±1.6%, and an average methane recovery rate of 66.7±6.9%. The average methane yield was 0.25±0.03 L/gCODrem. In the final phase, both the COD (2.0±0.04 g/L) and NaCl (2 g/L) concentrations were further increased to simulate the concentrated FO effluent under the operation of 3 M NaCl as draw solution. As in previous phases, the OLR parameter (1.19±0.03 gCOD/L-d) was adjusted by applying an increased COD influent concentration of 2.0±0.04 g/L and an HRT of 41.7 h. The up-flow velocity remained constant (0.34 m/h) with the recirculation adjusted to 15Q. During the 5th phase, the UASB reactor achieved a significant performance in terms of COD removal, methane recovery rates and yield by recording an average percentage of 93.3±0.9% and 71.4±4.3% and 0.25±0.03 L/gCODrem, respectively. As mentioned above, the OLR was regulated to be relatively constant by adjusting the HRT value in all operational phases of this master thesis. Regarding the COD removal, the performance of the UASB remained relatively stable in the different operating phases. However, the efficiency of the reactor in terms of methane recovery showed an uptrend with the increase of the influent COD concentration and the HRT. Accordingly, a decrease in the discrepancies of the COD mass balances was recorded in the aforementioned conditions. These discrepancies are probably due to the soluble methane fraction, as it was theoretically calculated in the present thesis based on the prevailing temperature (20°C). Throughout the operation of the system, the values of the IA/ PA and VFAs/ TA ratios were recorded to control the stability of the reactor and were found within the desired limits for all phases. The methanogenic activity in the UASB reactor remained high throughout the study, with no significant change in reactor efficiency between phases when salt was added. Based on the above, it is concluded that the combination of the UASB reactor with the pre-treatment F.O. step is of particular interest, since for the salinity concentrations (from 0.3 to 2.0 gNaCl/ L) found in the FO effluent, the activity of the methanogenic microorganisms and consequently the overall function of the anaerobic system was not affected.	en
heal.advisorName	Μαλαμής, Συμεών	el
heal.committeeMemberName	Μαμάης, Δανιήλ	el
heal.committeeMemberName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Μαλαμής, Συμέων	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	138 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false