Εξέταση της επίδρασης διαφορετικών λειτουργικών παραμέτρων κατά την αναερόβια επεξεργασία συμπυκνωμένων αστικών λυμάτων

Χατζημπαλής, Ηλίας; Chatzimpalis, Ilias

dc.contributor.author	Χατζημπαλής, Ηλίας	el
dc.contributor.author	Chatzimpalis, Ilias	en
dc.date.accessioned	2023-12-05T09:46:40Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/58364
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.26060
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	Αναερόβια επεξεργασία	el
dc.subject	Αντιδραστήρας ανοδικής ροής	el
dc.subject	Συμπυκνωμένα αστικά λύματα	el
dc.subject	Anaerobic treatment	en
dc.subject	Uasb reactor	en
dc.subject	Concentrated municipal wastewater	en
dc.title	Εξέταση της επίδρασης διαφορετικών λειτουργικών παραμέτρων κατά την αναερόβια επεξεργασία συμπυκνωμένων αστικών λυμάτων	el
dc.title	Investigation of the effect of different operational parameters during the anaerobic treatment of concentrated municipal wastewater	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Περιβαλλοντική μηχανική	el
heal.classification	Environmental engineering	en
heal.dateAvailable	2024-12-04T22:00:00Z
heal.language	el
heal.access	embargo
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-07-13
heal.abstract	Στην παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία διερευνήθηκε η λειτουργία ενός αναερόβιου αντιδραστήρα τύπου Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB), ο οποίος επεξεργαζόταν συμπυκνωμένα αστικά λύματα. Τα συμπυκνωμένα λύματα που χρησιμοποιήθηκαν προσομοίωναν την έξοδο ενός συστήματος προ-επεξεργασίας φυσικής ώσμωσης (Φ.Ω.). Στόχος της εργασίας ήταν η διερεύνηση της επίδρασης της οργανικής φόρτισης (Organic Loading Rate, OLR) στην απόδοση του αναερόβιου συστήματος τύπου UASB. Επιπλέον, κατά τη διάρκεια της πειραματικής εξέτασης πραγματοποιήθηκαν δοκιμές για τον προσδιορισμό του δυναμικού παραγωγής μεθανίου (Biochemical Methane Potential tests, BMP) με στόχο τη διερεύνηση της επίδρασης των διαφορετικών συγκεντρώσεων αμμωνιακού αζώτου (ΝΗ4-Ν) αλλά και των διαφορετικών βαθμών συμπύκνωσης που μπορεί να προκύψουν στην έξοδο του συστήματος Φ.Ω., υπό την εφαρμογή χλωριούχου νατρίου ως υπερτονικό διάλυμα. Η πειραματική διερεύνηση διήρκησε 324 ημέρες και διακρίθηκε σε πέντε (5) διαφορετικές φάσεις λειτουργίας. Ο διαχωρισμός των φάσεων έγινε με βάση τις διαφορετικές τιμές οργανικής φόρτισης που δοκιμάστηκαν, ενώ καθ’ όλη τη διάρκεια λειτουργίας η συγκέντρωση NaCl παρέμεινε ίδια και ίση με 3,3 g/L. Η πειραματική διερεύνηση αλλά και όλες οι αναλύσεις που πραγματοποιήθηκαν στο πλαίσιο της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας έλαβαν χώρα στο Εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας, της Σχολής Πολιτικών Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Στην 1η φάση λειτουργίας εφαρμόστηκε στο σύστημα η χαμηλότερη φόρτιση OLR που διερευνήθηκε στην παρούσα διπλωματική με μέση τιμή ίση με 1,2±0,03 g COD/L-d. Ο υδραυλικός χρόνος παραμονής (Hydraulic Retention Time, HRT) του συστήματος ήταν 40 ώρες ενώ η ταχύτητα ανοδικής ροής (Upflow Velocity, Vup) διατηρήθηκε ίση με 0,34 m/h. Η ρύθμιση της Vup επιτυγχανόταν με τη ρύθμιση της εσωτερικής ανακυκλοφορίας του συστήματος (Internal Recirculation, IR) η οποία στη συγκεκριμένη φάση ήταν ίση με 15Q. Τα αποτελέσματα της 1ης φάσης λειτουργίας ήταν ιδιαίτερα ικανοποιητικά ως προς την απομάκρυνση του COD , καθώς το ποσοστό απομάκρυνσης προέκυψε ίσο με 93,8±0,5% για το ολικό COD και 94,5±0,5% για το διαλυτό κλάσμα. Όσον αφορά στην παραγωγή μεθανίου, η απόδοση του συστήματος σε όρους L CH4/g CODπου απομακρύνεται ήταν ίση με 0,25±0,02 και το αντίστοιχο ποσοστό ανάκτησης μεθανίου επί του συνολικού COD που εισήλθε στο σύστημα, ίσο με 67%. Στη 2η φάση λειτουργίας το σύστημα λειτούργησε με μια υψηλότερη τιμή OLR ίση με 1,5±0,03 g COD/L-d. Επομένως, ο HRT μειώθηκε από τις 40 στις 32 ώρες, ενώ η Vup του αναερόβιου συστήματος αυξήθηκε από τα 0,34 στα 0,4 m/h, με την προσαρμογή του συντελεστή IR στα 14Q. Η αύξηση του OLR οδήγησε σε μικρή αλλά όχι αξιοσημείωτη μείωση στα ποσοστά απομάκρυνσης του COD , καθώς ο αντίστοιχος μέσος όρος προέκυψε ίσος με 89,5±2,7% για το ολικό και 90,7±2,4% για το διαλυτό κλάσμα του COD. Η απόδοση στην παραγωγή μεθανίου παρέμεινε στα ίδια επίπεδα (0,25±0,02 L CH4/g CODπου απομακρύνεται ) με την προηγούμενη φάση, αλλά αξίζει να σημειωθεί ότι στο ποσοστό ανάκτησης μεθανίου εμφανίστηκε μικρή πτώση της τάξεως του 6%. Στην 3η φάση λειτουργίας εφαρμόστηκε η μέγιστη οργανική φόρτιση που εξετάστηκε στην παρούσα διπλωματική εργασία με το OLR να είναι ίσο με 2,1±0,09 g COD/L-d. Αντίστοιχα, η τιμή του HRT μειώθηκε περαιτέρω στις 24 ώρες, ενώ η Vup παρέμεινε ίδια (0,4 m/h) με τη ρύθμιση του συντελεστή IR στα 10Q. Λόγω των δυναμικών συνθηκών που δημιουργήθηκαν εξαιτίας της υψηλής αύξησης του OLR, ο υπολογισμός του μέσου όρου των παραμέτρων υπολογίστηκε με βάση τις τελευταίες τιμές της 3ης φάσης οι οποίες ήταν και περισσότερο αντιπροσωπευτικές. Η αύξηση του OLR οδήγησε σε μείωση των ποσοστών απομάκρυνσης του COD με τις μέσες τιμές να είναι ίσες με 60,51±10,05% για το ολικό και 66,83±6,74% για το διαλυτό κλάσμα. Επιπλέον, μείωση εμφανίστηκε και στο ποσοστό ανάκτησης μεθανίου, το οποίο βάσει του ισοζυγίου μάζας υπολογίστηκε ίσο με 38% (του εισερχόμενου COD). Η μείωση του ποσοστού ανάκτησης συνδέθηκε με την αύξηση του COD της εξόδου του συστήματος το οποίο ήταν της τάξεως του 41,9% (του εισερχόμενου COD), σε σύγκριση με τις προηγούμενες φάσεις λειτουργίας όπου προέκυψαν τιμές μικρότερες του 10%. Τέλος, μικρή μείωση σημειώθηκε και στην απόδοση παραγωγής μεθανίου καθώς προέκυψε ίση με 0,22±0,03 L CH4/g CODπου απομακρύνεται για την 3η φάση λειτουργίας. Συμπερασματικά, η αύξηση του OLR οδήγησε σε ασταθή λειτουργία του αντιδραστήρα και στη συσσώρευση πτητικών λιπαρών οξέων στον αντιδραστήρα λόγω της μη ύπαρξης ισορροπίας μεταξύ των σταδίων της οξεογένεσης και της μεθανογένεσης της αναερόβιας διεργασίας. Η μέση τιμή του λόγου IA/PA, προέκυψε ίση με 0,42±0,12, ξεπερνώντας τα κρίσιμα όρια που τίθενται στη βιβλιογραφία (0,3), ενώ ανάλογη τάση παρουσιάστηκε και στις συγκεντρώσεις των VFAs. Αξίζει να σημειωθεί ότι, η σταδιακή εφαρμογή μικρότερων αυξήσεων στη λειτουργική παράμετρο του OLR ενδεχομένως να μην επηρέαζε σε τόσο μεγάλο βαθμό την ισορροπία του συστήματος και να συντελούσε στην προσαρμογή της βιομάζας στις νέες συνθήκες. Βάσει των αποτελεσμάτων που προέκυψαν στην προηγούμενη φάση λειτουργίας, στην 4η φάση λειτουργίας μειώθηκε η οργανική φόρτιση, προκειμένου να επαναφερθεί η απόδοση του συστήματος σε μεγαλύτερα επίπεδα. Συγκεκριμένα, το OLR ήταν ίσο με 1,8±0,08 g COD/L-d και ο HRT αυξήθηκε στις 28 ώρες. Η διατήρηση ίδιας Vup ρυθμίστηκε με την αύξηση του συντελεστή IR στα 12Q. Οι μέσες ποσοστιαίες απομακρύνσεις του COD σημείωσαν μικρή αύξηση συγκριτικά με τα ποσοστά της 3ης φάσης λειτουργίας, τόσο για το ολικό COD (66,58±5,23% ), όσο και για το διαλυτό COD (70,38±4,12%). Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να επισημανθεί ότι σε σύγκριση με την απόδοση του αντιδραστήρα UASB κατά τη διάρκεια των τελευταίων ημερών της 3ης φάσης (OLR= 2,1±0,09 g COD/L-d), η λειτουργία του συστήματος κατά την 4η φάση (1,8±0,08 g COD/L-d) βελτιώθηκε σημαντικά, καθώς κατά το προαναφερόμενο διάστημα η απομάκρυνση του ολικού COD έφτασε το 45,42%. Η μέση τιμή απόδοσης παραγωγής μεθανίου προέκυψε ίση με 0,21±0,02 L CH4/g CODπου απομακρύνεται και ήταν η χαμηλότερη συγκριτικά με όλες τις φάσεις λειτουργίας, ενώ το ποσοστό ανάκτησης μεθανίου υπολογίστηκε ίσο με 40% (του εισερχόμενου COD). Συνεπώς, στην 5η και τελευταία φάση λειτουργίας η τιμή του OLR μειώθηκε περαιτέρω, προκειμένου να επέλθει στο σύστημα ισορροπία. Συγκεκριμένα, η μέση τιμή του OLR ήταν ίση με 1,58±0,06 g COD/L-d. Όπως και στη 2η φάση ο HRT ήταν 32 ώρες, ενώ η Vup παρέμεινε σταθερή, λόγω επαναφοράς του IR στα 14Q. Επιπλέον, για την επαναφορά του pH της διεργασίας στο επιθυμητό εύρος (6,8-7,2), επιλέχθηκε να αυξηθεί η παράμετρος της εισερχόμενης αλκαλικότητας περίπου στα 1,5 g/L. Αποτέλεσμα των προαναφερθέντων αλλαγών ήταν η επαναφορά της ισορροπίας του συστήματος. Συγκεκριμένα, τα ποσοστά απομάκρυνσης του COD βελτιώθηκαν σημαντικά, με τις μέσες τιμές να είναι ίσες με 88,46±4,77% για το ολικό και 90,33±4,15% για το διαλυτό κλάσμα, ενώ καθ΄ όλη τη διάρκεια λειτουργίας καταγραφόταν μια συνεχής ανοδική τάση στα ποσοστά απομάκρυνσης COD. Αύξηση σημειώθηκε και στην απόδοση της παραγωγής μεθανίου από τα 0,21±0,02 L CH4/g CODπου απομακρύνεται της προηγούμενης φάσης στα 0,23±0,02 L CH4/g CODπου απομακρύνεται. Με την αύξηση της απομάκρυνσης του COD, μείωση σημειώθηκε στο κλάσμα του CODΕΞ. ενώ το ποσοστό ανάκτησης μεθανίου προέκυψε ίσο με 55% του εισερχόμενου COD. Μέσα από τα αποτελέσματα των μετρήσεων καθ΄ όλη την πειραματική διαδικασία, διαπιστώθηκε πως η μεταβολή του OLR είχε σημαντικές επιπτώσεις στην απόδοση του συστήματος τόσο στον τομέα απομάκρυνσης του ολικού COD, όσο και στην παραγωγή μεθανίου. Κατά τις υψηλότερες τιμές OLR που εφαρμόστηκαν στην 3η αλλά και 4η φάση λειτουργίας, η μείωση της απόδοσης του συστήματος οφειλόταν στην ανισορροπία μεταξύ παραγωγής και κατανάλωσης των VFAs. Η συσώρευση των οξέων κατά τις ίδιες φάσεις λειτουργίας οδήγησε με τη σειρά της σε μείωση του pH στο περιβάλλον επεξεργασίας σε μη επιθυμητά επίπεδα (<6,8). Mε την αύξηση του HRT και τη μείωση του OLR, τα VFAs μειώθηκαν και αυτό βοήθησε στην αύξηση της παραμέτρου του pH σε ιδανικά για την αναερόβια επεξεργασία επίπεδα. Στην περίπτωση των δοκιμών BMP πραγματοποιήθηκαν δύο πειραματικοί κύκλοι. Στον 1ο πειραματικό κύκλο διερευνήθηκε η επίδραση διαφορετικών συγκεντρώσεων αμμωνιακού αζώτου στην αναερόβια επεξεργασία. Οι συγκεντρώσεις NH4-N που εξετάστηκαν ήταν ίσες με 150, 500 και 1500 mg/L ενώ οι αντίστοιχες συγκεντρώσεις της ελεύθερης αμμωνίας ήταν ίσες με 5, 15 και 34 mg/L. Βάσει των αποτελεσμάτων που προέκυψαν, δεν παρατηρήθηκε αναχαίτιση της μεθανογένεσης για όλες τις συγκεντρώσεις που δοκιμάστηκαν. Ωστόσο, αξίζει να σημειωθεί ότι υπό την εφαρμογή της μεγαλύτερης συγκέντρωσης που εξετάστηκε (1500 mg/L), παρατηρήθηκε μια χρονική υστέρηση της παραγωγής μεθανίου κατά τη διάρκεια των πρώτων 2-3 ημερών του πειράματος. Όσον αφορά στη συγκέντρωση του αμμωνιακού αζώτου που μπορεί να βρεθεί στην έξοδο ενός συστήματος Φ.Ω. (200-300 mg/L), δεν αναμένεται να επηρεάσει αρνητικά τη δραστηριότητα των αναερόβιων μικροοργανισμών. Στη 2η πειραματική δομική BMP εξετάστηκε η επίδραση της αναερόβιας διεργασίας υπό την εφαρμογή διαφορετικών βαθμών συμπύκνωσης των αστικών λυμάτων (τόσο του οργανικού υλικού, όσο και των αντίστοιχων συγκεντρώσεων NaCl) που μπορούν να προκύψουν στην έξοδο ενός συστήματος Φ.Ω., με τη χρήση NaCl ως υπερτονικό διάλυμα. Συμπερασματικά, παρατηρήθηκε μια τάση αύξησης των ποσοστών αναχαίτισης του σταδίου της μεθανογένεσης με την αύξηση της συγκέντρωσης του NaCl στο υπόστρωμα. Ωστόσο, στην περίπτωση συμπυκνωμένων λυμάτων οργανικής συγκέντρωσης 2 g COD/L με αντίστοιχη συγκέντρωση NaCl 5,6 g/L, δεν καταγράφηκαν αξιοσημείωτα ποσοστά αναχαίτισης, καθώς προέκυψαν ίσα με 12%, ενώ αυξήθηκαν έως 22% υπό την παρουσία σχεδόν διπλάσιων συγκεντρώσεων ίσων με 10 g NaCl/L.	el
heal.abstract	This master thesis investigates the operation of an Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) reactor treating concentrated municipal wastewater. The concentrated municipal wastewater that was used simulated the effluent of a forward osmosis (FO) pretreatment system. The aim of the research was to investigate the effect of different organic loading rates (OLR) on the performance of the anaerobic UASB process. In addition, biochemical methane potential (BMP) tests were carried out to investigate the effect of different concentrations of ammonium nitrogen (NH4-N), but also of the different concentration factors (in terms of COD and NaCl concentrations) that may be present at the concentrated FO effluent, using NaCl as draw solution. The experimental process lasted 324 days and was divided into five (5) different operational phases. The subdivision of the phases was based on the different OLR values tested, while the NaCl concentration remained the same throughout the operation and was 3.3 g/L. The experimental investigation, as well as all analyses carried out in the context of this work took place in the Sanitary Engineering Laboratory (SEL) of the School of Civil Engineering of the National Technical University of Athens. In the 1st operational phase, the lowest OLR value investigated in this work was applied to the system with an average value equal to 1.2±0.03 g COD/L-d. The hydraulic retention time (HRT) of the system was 40 hours, while the up-flow velocity (Vup) was maintained at 0.34 m/h. The latter value was achieved by regulating the internal recirculation of the system (IR), which was equal to 15Q. The results of the first phase were particularly satisfactory in terms of COD removal, with an average percentage of 93.8±0.5% for the total and 94.5±0.5% for the soluble fraction. The average methane yield in terms of L CH4 produced/g CODremoved was equal to 0.25±0.02 and the corresponding percentage of methane recovery rate (based on the total COD entering the system) was 67%. In the second phase, the system was operated with a higher OLR of 1.5±0.03 g COD/L-d. Therefore, the HRT decreased from 40 to 32 h, while the Vup of the anaerobic system increased from 0.34 to 0.4 m/h, by adjusting the IR to 14Q. The increase in OLR resulted in a negligible decrease in COD removal rates, as the corresponding average percentage was equal to 89.5±2.7% for the total and 90.7±2.4% for the soluble COD fraction. The average methane yield remained at the same level (0.25±0.02 L CH4/g COD removed) as in the previous phase, but it is worth noting that the average methane recovery rate showed a small drop of 6%. During the third operational phase, the maximum organic loading examined in this work was applied with an OLR of 2.1±0.09 g COD/L-d. Accordingly, the value of HRT further decreased at 24 h, while Vup remained the same (0.4 m/h) by setting the IR factor at 10Q. Due to the dynamic conditions created, because of the high increase in OLR, the calculation of the average score of the parameters was calculated based on the last values of the 3rd phase which were considered more indicative. The increase in OLR resulted in a decrease in COD removal rates with average values of 60.51±10.05% for the total and 66.83±6.74% for the soluble fraction. Furthermore, the average methane production rate decreased to 38% (of the incoming COD). This reduction in methane recovery rate was accompanied by an increase in the corresponding proportion of COD found in the UASB effluent, reaching 41.9% (of the incoming COD), compared to the previous phases where this value was below 10%. Finally, a small drop in the average methane yield was also observed, which was 0.22±0.03 L CH4/g CODremoved in the third phase. In conclusion, the increase in OLR led to an imbalance between the stages of acidogenesis and methanogenesis of the anaerobic process and an accumulation of the volatile fatty acids (VFAs). The average value of the IA/PA ratio was equal to 0.42±0.12, higher than the critical limits of the literature (0.3), while a similar trend was observed in the concentrations of VFAs. It is worth mentioning that the application of a lower increase in the OLR might not have adversely affected the system to such a great extent and may have contributed to the adaptation of the biomass to the new conditions. Based on the aforementioned results, the OLR was reduced in the 4th phase in an effort to stabilize the process. Specifically, the OLR was decreased to 1.8±0.08 g COD/L-d and the HRT was increased to 28h. To maintain the Vup at the same level, IR was increased to 12Q. The average COD removal rates increased for both total (66.58±5.23%) and soluble COD (70.38±4.12%). At this point, it should be noted that the performance of the UASB reactor improved in the 4th phase compared to the operation of the system during the last days of the 3rd phase (OLR= 2.1±0.09 g COD/L-d), as during the latter the total COD removal rate was 45.42%. The average methane yield was estimated equal to 0.21±0.02 L CH4/g CODremoved and was the lowest compared to all the operating phases of this study, while the average methane recovery rate was 40% (of incoming COD). Therefore, in the 5th and final phase of this study the value of the OLR was further reduced in order to stabilize the system operation. In particular, the average value of OLR was 1.58±0.06 g COD/L-d. As in phase 2, HRT was 32 hours, while Vup remained constant as IR was fixed to 14Q. In order to bring the pH of the process back to the desired range (6.8-7.2), it was also decided to increase the alkalinity of the influent to 1.5 g CaCO3/L. As a result of the aforementioned changes, the balance of the system was restored. In particular, the COD removal rates were significantly improved, with an average value of 88.46±4.77% for the total and 90.33±4.15% for the soluble fraction, while a continuous upward trend in COD removal rates was recorded throughout the operation. An increase in average methane yield from 0.21±0.02 L CH4/g CODremoved in the previous phase to 0.23±0.02 L CH4/g CODremoved, was also observed. With increasing COD removal, a decrease in the CODout fraction was observed while an average methane recovery rate of 55% of the incoming COD was achieved. The results of the measurements throughout the experimental process, pointed out that the OLR change had significant effects on the performance of the system both in the field of total COD removal and methane production. The reduction in system performance, reported at the higher OLR values applied during the 3rd and 4th operating phases, was attributed to the imbalance between production and consumption of VFAs. In turn, acids accumulation reported during the same operating phases led to a pH reduction in the processing environment to undesirable levels (<6.8). With increasing HRT and decreasing OLR, the VFAs concentration decreased, a factor which helped the pH parameter reach the optimal levels for anaerobic treatment. Regarding the BMP tests, two experimental cycles were conducted. In the first experimental cycle, the effect of different concentrations of ammonium nitrogen on the anaerobic treatment was investigated. The NH4-N concentrations tested were 150, 500 and 1500 mg/L while the free ammonia concentrations were equal to 5, 15 and 34 mg/L respectively. The results show that for all concentrations tested, no effects on the stage of methanogenesis were observed. However, it is worth noting that under the highest concentration (1500 mg/L) applied, a time lag in methane production was observed during the first 2-3 days of the experiment. The concentration of ammonium nitrogen that can be found at the concentrated effluent of a FO system (200-300 mg/L), is not expected to adversely affect the activity of anaerobic microorganisms. The second BMP test examined the effect on the anaerobic process by applying different concentration factors (both in terms of COD concentration and the corresponding NaCl concentrations) that can be achieved at the effluent of a FO system, using NaCl as draw solution. In summary, a trend towards increasing inhibition rates of the methanogenesis step was observed with increasing NaCl concentration in the substrate. However, in concentrated wastewater with a COD concentration of 2 g/L and a corresponding NaCl concentration of 5.6 g/L, no significant inhibition rate of 12% was observed, while it increased to 22% in the presence of 10 g NaCl/L.	en
heal.advisorName	Μαλαμής, Συμεών-Αλέξανδρος	el
heal.committeeMemberName	Μαμάης, Δανιήλ	el
heal.committeeMemberName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Μαλαμής, Συμεών-Αλέξανδρος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.fullTextAvailability	false