Αναγωγή εξασθενούς χρωμίου και απομάκρυνση ολικού χρωμίου με τη χρήση αναερόβιου αντιδραστήρα διαλείποντος έργου

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζει ένα αναερόβιο σύστημα ενεργού ιλύος διαλείποντος έργου, για την απομάκρυνση του εξασθενούς χρωμίου από τα υπόγεία ύδατα. Η εξέταση του συστήματος αυτού έγινε σε εργαστηριακή κλίμακα, ως πιλότος για την εφαρμογή του στο πεδίο. Ο εργαστηριακός πιλότος αποτελεί τροποποίηση ενός υφιστάμενου αναερόβιου αντιδραστήρα που λειτούργησε με γάλα ως υπόστρωμα. Τα πειράματα διήρκησαν 5 μήνες και έλαβαν χώρα στο Εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας (Ε.Υ.Τ.) της Σχολής Πολιτικών Μηχανικών του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου (Ε.Μ.Π.). Ο αντιδραστήρας λειτούργησε με υδραυλικό χρόνο παραμονής 24 ώρες και ηλικία ιλύος 10 ημέρες. Επεξεργαζόταν και απέρριπτε καθημερινά νερό όγκου 2.9 λίτρων. Ο όγκος αυτός περιείχε υπόστρωμα, κατά 4/5 ζάχαρη και κατά 1/5 γάλα, άζωτο, φώσφορο και εξασθενές χρώμιο. Λειτούργησε σε 3 διαφορετικές θερμοκρασίες (23οC,33οC,18.6οC) και σε 2 διαφορετικές αρχικές συγκεντρώσεις εξασθενούς χρωμίου (200 μg/l, 300μg/l). Καθ’όλη την διάρκεια λειτουργίας του, το εξασθενές χρώμιο αναγόταν εντός 1-2 ωρών, κατά τουλάχιστον 99%, στο σαφώς λιγότερο τοξικό τρισθενές, ενώ αποκλείστηκε το ενδεχόμενο προσρόφησής του από τη βιομάζα. Ωστόσο, η απόδοση του αντιδραστήρα, ως προς το ολικό χρώμιο εξόδου, παρουσιάσε υπέρβαση του νομοθετημένου ορίου για πόση, παρά την υψηλή μέση απόδοση απομάκρυνσης (>80%). Συγκεκριμένα, η εκροή, στο 66% του χρόνου λειτουργίας του αντιδραστήρα, είχε τιμές ολικού χρωμίου άνω των 50 μg/l (όριο ύδρευσης) και 27% του χρόνου λειτουργίας του, άνω των 100 μg/l (όριο άρδευσης). Το ολικό χρώμιο στην έξοδο ταυτίζεται πρακτικά με το τρισθενές, εφ’όσον το εξασθενές έχει αναχθεί πλήρως μέχρι τις πρώτες 2 ώρες ανάδευσης. Κατά την παρακολούθηση του ολικού χρωμίου, διαπιστώθηκε μείωση της συγκέντρωσής του διαλυτού και αύξηση του σωματιδιακού, με την άνοδο της θερμοκρασίας περιβάλλοντος. Η μείωση αυτή εκτιμάται ότι οφείλεται στην αυξημένη προσρόφηση ή/και κατακρήμνιση του διαλυτού τρισθενούς χρωμίου που προκαλεί η αύξηση της θερμοκρασίας. Για την μείωση της τιμής του ολικού χρωμίου στην έξοδο, εξετάστηκαν 2 δράσεις: Μείωση του σωματιδιακού χρωμίου και μείωση του διαλυτού χρωμίου στην έξοδο. Για την πρώτη δράση, τοποθετήθηκε κατάντη της εκροής του αντιδραστήρα, αμμοδιυλιστήριο για συγκράτηση των αιωρουμένων στερεών που περιέχουν το προσροφημένο/κατακρημνισμένο χρώμιο και επιβαρύνουν την έξοδο. Για την δεύτερη δράση πραγματοποιήθηκαν ξεχωριστά πειράματα προσρόφησης με κλιμακούμενες συγκεντρώσεις εγκλιματισμένης και μη εγκλιματισμένης, στο χρώμιο, βιομάζας. Μέσω των πειραμάτων, εκτιμήθηκε η επίδραση της αύξησης των στερεών και της αύξησης του υποστρώματος. Η πρώτη δράση εφαρμόστηκε για περίοδο 3 μηνών και βελτίωσε σημαντικά την ποιότητα εκροής του αντιδραστήρα, ως προς το ολικό χρώμιο, ενώ παρατηρήθηκε απομάκρυνση και του διαλυτού χρωμίου. Συγκεκριμένα, προσέφερε 78-86% επιπλέον απομάκρυνση ολικού χρωμίου, επιτυγχάνοντας εκροή πολύ χαμηλότερη των νομοθετημένων ορίων. Η δεύτερη δράση, δηλαδή η βιοπροσρόφηση, επέδειξε χαμηλότερες αποδόσεις απομάκρυνσης που μόλις υπερέβαιναν το 50% και κρίθηκε οικονομικά και τεχνικά ασύμφορη.

This diploma 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 laboratory pilot was a modification of an existing anaerobic reactor, operated with milk as a substrate. The experiments lasted 5 months and took place in the Sanitary Engineering Laboratory of School of Civil Engineering at National Technical University of Athens (NTUA). The reactor was operated with a hydraulic retention time of 24 hours and sludge retention time of 10 days. The reactor was treating and rejecting water volume of 2.9 litres per day. This volume contained substrate, 4/5 sugar and 1/5 milk, nitrogen, phosphorus and hexavalent chromium. The reactor operated at 3 different temperatures (23οC, 33οC, 18.6οC) and at 2 different initial concentrations of hexavalent chromium (200 μg/l, 300μg/l). Throughout its operation, the hexavalent chromium was being reduced in 1-2 hours, at least 99%, to the, considerably less toxic, trivalent, while the possibility of its adsorption on the biomass was excluded. However, the efficiency of the reactor, based on the total chromium effluent, showed exceedance of the drinking water limit, despite its relatively high average removal efficiency (> 80%). Specifically, the outflow, at 66% of the operating time, had values of total chromium above 50 μg/l (limit for drinking water) and 27% of the operating time above 100 μg/l (limit for irrigation use). Total chromium at the effluent coincides practically with trivalent, since hexavalent has been reduced during the first 2 hours of stirring. 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. This decrease is estimated to be due to the increased absorption and/or precipitation of the soluble trivalent chromium, which is caused by the increase of temperature. To reduce the value of the total chromium in the outlet, 2 actions were examined: Decrease of the particulate chromium and decrease of the soluble chromium in the effluent. For the first action, a sand filter was placed downstream of the reactor to remove the suspended solids containing adsorbed/precipitated chromium. For the second action, separate adsorption experiments, having various concentrations of acclimatized and non-acclimatized, in chromium, biomass, were conducted. Through the experiments the effect of increasing the solids and the growth substrate was evaluated. The first action was applied for a period of 3 months and, based on the total chromium, it significantly improved the effluent quality of the reactor, while removal of soluble chromium was observed, as well. Specifically, it provided an additional 78-86% removal of total chromium, achieving very low effluent values, well below the irrigation and drinking water limits. Bio-adsorption exhibited lower chromium removal efficiency barely exceeding 50% and it was considered economically and technically less sustainable.