Εφαρμογή αναερόβιων συνθηκών βιολογικής επεξεργασίας υπογείων υδάτων για την απομάκρυνση ολικού και εξασθενούς χρωμίου

Abstract

Στα υπόγεια ύδατα της λεκάνης απορροής του Ασωπού έχουν ανιχνευθεί υψηλές συγκεντρώσεις εξασθενούς χρωμίου. Το γεγονός αυτό εγκυμονεί σοβαρούς κινδύνους για του κατοίκους και το ευρύτερο καταναλωτικό κοινό καθώς μέρος των υδάτων αυτών αντλείται προς άρδευση αλλά και ανθρώπινη κατανάλωση. Στο πλαίσιο αντιμετώπισης του προβλήματος σχεδιάστηκε από το Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο σε συνεργασία με την Περιφέρεια Στερεάς Ελλάδας το πρόγραμμα «Χρώμιο στο υπόγειο υδάτινο σύστημα της λεκάνης του Ασωπού: Τεχνολογίες και μέτρα αποκατάστασης» το οποίο εγκρίθηκε και χρηματοδοτήθηκε εν μέρει από τον ευρωπαϊκό οργανισμό life. Μέχρι τώρα οι επικρατέστερες μέθοδοι απομάκρυνσης Cr(VI) είναι οι φυσικοχημικές (χημική αναγωγή και ιοντοενναλλαγή) αλλά συνεχώς κερδίζουν έδαφος οι βιολογικές μέθοδοι, οι οποίες είναι και πιο οικονομικές. Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία αποτελεί μέρος μίας από τις πιλοτικές δράσεις του προγράμματος και αφορά στην βιολογική επεξεργασία ρυπασμένων υδάτων για την αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου σε τρισθενές. Συγκεκριμένα, διενεργήθηκαν πειράματα σε ένα σύστημα διαλείποντος έργου σε αναερόβιες συνθήκες, με διάρκεια 8 μηνών τα οποία έλαβαν χώρα στο Εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας της Σχολής Πολιτικών Μηχανικών του Ε.Μ.Π. Ως υπόστρωμα επιλέχθηκε το γάλα λόγω της υψηλής περιεκτικότητάς του σε θρεπτικά και της σχετικά χαμηλής τιμής του. Ο αντιδραστήρας σχεδιάστηκε με υδραυλικό χρόνο παραμονής 24 ωρών και χρόνο παραμονή στερεών 10 ημέρες. Μελετήθηκε η απόδοση του συστήματος ως προς την απομάκρυνση εξασθενούς και ολικού χρωμίου σε 3 διαφορετικές θερμοκρασίες (17,4˚C , 12˚C, 33,8 ˚C). Επίσης προσδιορίστηκε ο ρυθμός της αντίδρασης αναγωγής του εξασθενούς μέσω ειδικών πειραμάτων. Σε όλες τις φάσεις λειτουργίας τους αναερόβιου αντιδραστήρα η αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου σε τρισθενές γινόταν εντός 2 ωρών με αποδόσεις που υπερέβαιναν το 98%. Από τα αποτελέσματα των πειραμάτων προσδιορίστηκε επίσης και η επίδραση της θερμοκρασίας στον ρυθμό αναγωγής εξασθενούς χρωμίου μέσω της εξίσωσης Arrhenius. Ως προς το ολικό χρώμιο εξόδου η απόδοση του αντιδραστήρα ήταν 40-70 % και η συγκέντρωσή του υπερέβαινε το νομοθετημένο όριο για πόση (50 μg/l) ενώ κατά τη λειτουργία του στους 17,4˚C και τους 12˚C υπερέβαινε και το όριο για την άρδευση (100 μg/l). Η συγκέντρωση ολικού χρωμίου στην έξοδο ταυτίζεται πρακτικά με το τρισθενές, λόγω της πλήρους αναγωγής του Cr(VI) και αφού αποκλείστηκε το ενδεχόμενο προσρόφησης του στη βιομάζα με τη μορφή αυτή. Η ταχύτατη αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου στο σύστημα μας οδήγησε στο συμπέρασμα, ότι δεν έχει φτάσει τη μέγιστη δυνατότητα του ως προς την απομάκρυνση Cr(VI) και έτσι εξετάστηκε η μείωση του υδραυλικού χρόνου παραμονής στις 12 ώρες, άρα η επεξεργασία διπλάσιου όγκου νερού στο διάστημα μίας μέρας. Τα αποτελέσματα και γι αυτό το σύστημα ήταν άκρως ικανοποιητικά με απόδοση απομάκρυνσης Cr(VI) >98% σε διάστημα μόλις μιας ώρας.

The groundwater system of Asopos presents high concentrations of chromium and hexavalent chromium and as a result there is an increased public concern, since part of the groundwater is used for water abstraction for human consumption and most of it for irrigation purposes. In the context of addressing the problem a project was designed by the National Technical University of Athens in collaboration with the Region of Central Greece named "Chromium in groundwater system Asopos: Remediation technologies and Measures" which was approved and funded in part by the European agency life. Physicochemical treatments (chemical reduction and ion exchange) are the most commonly used methods of removing Cr (VI). However biological methods have become the treatments of choice, as they are economically and environmentally more viable. This Msc thesis is part of a pilot action and concerns the biological treatment of polluted water for reduction of hexavalent chromium to trivalent. Specifically, this thesis examines a sequencing batch reactor of anaerobic activated sludge, for the removal of hexavalent chromium from groundwater. This system was examined in a laboratory scale, as a pilot for field application. The experiments lasted 8 months and took place in the Sanitary Engineering Laboratory of School of Civil Engineering at National Technical University of Athens (NTUA). The substrate was chosen to be milk because of its high content of nutrients and its relatively low price. The reactor was operated with a hydraulic retention time of 24 hours and sludge retention time of 10 days. The performance of the system was studied regarding the removal of hexavalent and total chromium at 3 different temperatures (17.4˚C, 12˚C, 33.8 ˚C). The reaction rate of the reduction of hexavalent chromium was also determined through specific experiments. Throughout its operation, the hexavalent chromium was being reduced to the considerably less toxic trivalent, in 1-2 hours, and the efficiency was >98%, while the possibility of its adsorption on the biomass was excluded. The increase of the temperature was found to have positive effect, reducing the time needed for the complete removal of the hexavalent chromium. This effect on the rate of reduction of Cr (VI) was determined by adjusting the results to the Arrhenius equation. However, the efficiency of the reactor, based on the total chromium effluent, exceeded the limit of drinking water. Specifically, the outflow had values of total chromium above 50 μg/l (limit for drinking water) and while operating at 17.4˚C, and at 12˚C was also above 100 μg/l (limit for irrigation use). Regarding the soluble effluent the concentration of chromium was always less than the limit of 100 μg/l .Total chromium at the effluent coincides practically with trivalent, since hexavalent has been reduced during the first 2 hours. With increasing temperatures, a decrease in total chromium concentration in the dissolved phase and an increase in total chromium concentration in suspended solids were observed. The rapid reduction of the hexavalent chromium in the system has led us to conclude that it has not reached its maximum ability to remove Cr (VI). So it was considered to operate a new system reducing the hydraulic residence time in 12 hours, thus doubling the volume of the processed within a day. The results for this system were highly satisfactory, as the removal efficiency of Cr (VI)was higher 98% in just one hour of operation.