Βιολογική επεξεργασία υπόγειων υδάτων για την απομάκρυνση εξασθενούς και ολικού χρωμίου με ανοξικές-αναερόβιες συνθήκες

Abstract

Στην Ελλάδα και συγκεκριμένα στη λεκάνης απορροής του Ασωπού έχουν ανιχνευθεί υψηλές συγκεντρώσεις εξασθενούς χρωμίου τόσο στα επιφανειακά όσο κα στα υπόγεια νερά. Το γεγονός αυτό έχει προκαλέσει την ανησυχία καθώς το χρώμιο εγκυμονεί σοβαρούς κινδύνους για την ανθρώπινη υγεία. Για την αντιμετώπισης του προβλήματος, η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία μελετάει τη βιολογική επεξεργασία των ρυπασμένων υπόγειων υδάτων για την απομάκρυνση του ολικού και εξασθενούς χρωμίου από αυτά. Συγκεκριμένα εξετάσθηκαν τρία ανοξικά-αναερόβια συστήματα (διαλείποντος έργου) ενεργού ιλύος, που στόχο είχαν την απομάκρυνση του εξασθενούς χρωμίου (μέσω της αναγωγής) από υπόγεια νερά. Τα πειράματα διήρκεσαν έξι μήνες και έλαβαν χώρα στο Εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας (Ε.Υ.Τ.) της Σχολής Πολιτικών Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου (Ε.Μ.Π.). Οι δύο ανοξικοί-αναερόβιοι αντιδραστήρες σχεδιάστηκαν με υδραυλικό χρόνο παραμονής 24 ώρες και χρόνο παραμονής στερεών 10 ημέρες. Ειδικότερα, μελετήθηκε η απόδοση των συστήματος (ως προς την απομάκρυνση εξασθενούς και ολικού χρωμίου) σε δύο διαφορετικές συγκεντρώσεις υποστρώματος COD (πρώτος: 200mg/l, δεύτερος: 150 mg/l). Οι αντιδραστήρες καθημερινά επεξεργάζονταν νερό όγκου 3,1 λίτρων, που περιείχε υπόστρωμα (για την ανάπτυξη των μικροοργανισμών): 90% ζάχαρη και 10% γάλα, άζωτο, φώσφορο καθώς και εξασθενές χρώμιο. Ο τρίτος ανοξικός-αναερόβιος αντιδραστήρας αποτελούταν από τρεις κύκλους τροφοδοσίας ενώ σχεδιάστηκε με υδραυλικό χρόνο παραμονής 8 ώρες και χρόνο παραμονής στερεών 10 ημέρες. Καθημερινά επεξεργαζόταν ρυπασμένο με εξασθενές χρώμιο νερό όγκου 7,5 λίτρων (3φορές 2,5L=7,5L) στο οποίο προστίθετο και ανάλογο υπόστρωμα. Η απομάκρυνση του εξασθενούς χρωμίου για το πρώτο και για το τρίτο αντιδραστήρα υπερέβη το 98% ενώ ο δεύτερος αντιδραστήρας είχε απομάκρυνση 88,99%. Σε όλα τα συστήματα επίσης, καταναλώνονταν πλήρως τα νιτρικά από τις πρώτες κιόλας ώρες λειτουργίας. Οι αποδόσεις των αντιδραστήρων ως προς την απομάκρυνση του ολικού χρωμίου στην έξοδο των αντιδραστήρων, μετρήθηκε κάτω από το ανώτατο όριο των 100μg/l (όριο άρδευσης), ενώ με εξαίρεση το σύστημα με τους τρεις κύκλους τροφοδοσίας, οι τιμές εξόδου μετρήθηκαν και κάτω των 50μg/l (όριο ύδρευσης). Ωστόσο η διηθημένη έξοδος των αντιδραστήρων πληρούσε τα όρια που έχει θέση η Ελληνική νομοθεσία για το ολικό χρώμιο τόσο για ύδρευση όσο και για άρδευση (όριο: 50 μg/l και 100 μg/l αντίστοιχα). Σε σύγκριση που έγινε μεταξύ των τριών ανοξικών-αναερόβιων αντιδραστήρων και προγενέστερων συστημάτων που μέχρι τώρα λειτούργησαν στο πλαίσιο προηγούμενων ερευνητικών μελετών πάνω στον συγκεκριμένο τομέα (βιολογική απομάκρυνση εξασθενούς χρωμίου) διαπιστώθηκε ότι τόσο τα αναερόβια συστήματα όσο και τα ανοξικά-αναερόβια συστήματα έχουν εξαιρετικές απομακρύνσεις εξασθενούς χρωμίου κατά τη διάρκεια λειτουργίας τους. Ωστόσο, το σύστημα που υπερισχύει είναι ο ανοξικός-αναερόβιος αντιδραστήρας με τους τρεις κύκλους τροφοδοσίας αφού συνδυάζει την απομάκρυνση των νιτρικών από τα υπόγεια νερά με την πλήρη αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου και όλα αυτά με πολύ χαμηλό λειτουργικό κόστος. Αντίστοιχη συμπεριφορά παρατηρείται και ως προς την απομάκρυνση του ολικού χρωμίου τα ανοξικά-αναερόβια συστήματα. Συγκεκριμένα από μετρήσεις που αφορούσαν το διηθημένο ή μη υπόγειο επεξεργασμένο νερό διαπιστώθηκε ότι τα ανοξικά-αναερόβια συστήματα παρουσιάζουν καλύτερα ποσοστά απομάκρυνσης από τα πλήρως αναερόβια.

Biological removal of hexavalent and total chromium from groundwater systems with anoxic-anaerobic batch reactors.

Introduction - Motivation In Greece and specifically the water catchment of Assopos are detected high concentrations of hexavalent chromium in both surface water and groundwater. This has caused concern as chromium poses serious risks to human health. To address the problem, this thesis studies the biological treatment of contaminated groundwater for the removal of total and hexavalent chromium.

Existence and treatment of chromium Chromium (Cr) is a metallic element belonging to the first transitional series of the periodic table. Chromium does not occur freely in nature. The main chromium mineral is chromite. The two most stable forms in which chromium occurs in the environment are the +3 (trivalent chromium), and +6 (hexavelent chromium) valence states. Hexavalent chromium or Cr(VI) is generally soluble, toxic and it is considered to be a mutagen. By contrast, trivalent chromium or Cr(III) is less toxic and less soluble than Cr(VI). Chromium and its compounds can be discharged in surface water and groundwater through various industries (e.g: steelworks, chromium electroplating, leather tanning, wood treatment etc.). The Cr(VI) is an anion and in contaminated aquifers commonly exists as chromate (CrO42-) or dichromate (CrO2O72-). Trivalent chromium is an essential trace element for humans. Hexavalent chromium is known for its negative health and environmental impact, and its extreme toxicity (is 1000 times as toxic as trivalent chromium). Health effects related to hexavalent chromium exposure include diarrhoea, stomach and intestinal bleedings, cramps, liver and kidney damage and the most serious problem that can cause is cancer.

Most countries (in Europe) apply a legal limit of 50 parts per billion (ppb) chromium in drinking water although in United States of America has been set at 0.1 parts per million because EPA believes this level of protection would not cause any of the potential health problems. Italy has adopted independent upper limit for hexavalent chromium in surface waters intended for drinking water supply to 5 parts per billion for hexavalent chromium (Dlfs 152/1999 integrato con Dlgs 258/2000) and the state of California has set a goal of public health for Cr 0,02 mg/l and is expected in 2013, this limit becomes law. Removal of chromium can be accomplished by various methods. Ion exchange is the most frequently used treatment technology for chromium. Because of the need to develop cost – effective and more environmentally friendly techniques, biological removal of Cr(VI) have aroused great interest the last few years. Biological system, such as bio–reduction, bio–accumulation or bio–sorption using living cells have been examined for their chromium removal abilities. Several microorganisms have been reported to be capable of reducing Cr(VI). Studies performed have shown that microbial chromium (VI) removal from solutions typically includes the following stages: 1. Binding of chromium to cell surface, 2. Translocation of chromium into the cell, and 3. Reduction of chromium(VI) to chromium(III) in the sludge flocs

Experimental Process and results In this thesis specifically were examined three anoxic-anaerobic systems (batch reactors) of activated sludge, which aimed to remove the hexavalent chromium (through reduction) from groundwater. The experiments lasted six months and took place in Sanitary Engineering Laboratory (S.E.L.) School of Civil Engineering, National Technical University of Athens (NTUA). The two anaerobic-anoxic reactors were designed with a hydraulic retention time of 24 hours, and sludge retention time of 10 days. In particular, was studied the performance of the system (for the removal of hexavalent and total chromium) in two different concentrations of the substrate COD (first: 200mg/l, second: 150 mg/l). The reactors were processing daily water volume of 3.1 liters, containing substrate (for the growth of microorganisms): 90% sugar and 10% milk, nitrogen, phosphorus and hexavalent chromium. The third anaerobic-anoxic reactor consisted of three feedingcycles while designed with supply hydraulic retention time of 8 hours and sludge retention time of 10 days. It was processing daily contaminated with hexavalent chromium water volume of 7.5 liter (3X (thrice) 2.5 L = 7.5 L) to which was added and proportional substrate. The removal of hexavalent chromium for the first and the third reactor exceeded 98% while the second reactor had 88.99% removal. In all systems also Nitrates were totally consumed since the very first hours of operation. The performance of the reactors for the removal of total chromium in the outlet of the reactors was measured below the threshold of 100mg/l (irrigation limit), while excluding the system with three feeding cycles, the output values were measured under 50mg/l (limit of water supply). However, the filtered output of the reactors met the limits set by the Greek legislation for total chromium both for water supply and for irrigation (limit: 50 μg/l and 100 μg/l respectively). In comparison between the three anoxic-anaerobic reactors and earlier systems hitherto functioned in previous research studies on the specific field (biological removal of hexavalent chromium) it has been found that both anaerobic systems and the anoxic-anaerobic systems have excellent removals of hexavalent chromium during their operation. However, the system that prevails is the anaerobic-anoxic reactor with three feeding cycles. A similar behavior is observed for the removal of total chromium from the anoxic-anaerobic systems. Specifically, from measurements involving the filtered or non-underground treated water was found that the anoxic-anaerobic systems show better rates of removal than the totally anaerobic.

Conclusions The system that prevails over all other system is the anaerobic-anoxic reactor with three feeding cycles as it combines the removal of nitrates from ground waters with the full reduction of the hexavalent chromium from (>99%), also the satisfactory removal of total chromium (70%) and all this with very low operating costs.

Proposals The operation of the anoxic – anaerobic system in a wider breadth of temperatures is required to be studied, so that its performance will be checked in lower temperatures. In addition, the use of a sand filter downstream of the reactor is recommended in order to remove suspended solids containing adsorbed/precipitated chromium. Finally, an increase in the amount of groundwater being treated every day can be tested, as well as the trial of a continuous – flow activated sludge plant.