Διερεύνηση της επίδρασης του νιτρώδους αζώτου στη βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου σε σύστημα επεξεργασίας στραγγιδίων μέσω νιτρωδώ - Φραγκισκάτος, Γεράσιμος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, 2017)
Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί η διερεύνηση της επίδρασης του νιτρώδους αζώτου στον ρυθμό αερόβιας δέσμευσης φωσφόρου από τα πολυφωσφορικά βακτήρια με στόχο την εφαρμογή των αποτελεσμάτων σε ένα σύστημα επεξεργασίας στραγγιδίων αφυδάτωσης που προκύπτουν από την γραμμή της ιλύος σε μια εγκατάσταση επεξεργασίας λυμάτων. Το ρεύμα των στραγγίδιων που προκύπτει από την αφυδάτωση σταθεροποιημένης ιλύος μέσω αναερόβιας χώνευσης, λόγω των υψηλών φορτίων αζώτου και φωσφόρου που περιέχει αυξάνει κατά την επανακυκλοφορία του, σημαντικά το φορτίο των θρεπτικών συστατικών στον βιολογικό αντιδραστήρα. Οι ακραίες συνθήκες που είναι δυνατόν να παρουσιαστούν σε μια τέτοια περίπτωση δημιουργούν την ανάγκη επεξεργασίας των στραγγιδίων πριν την παροχέτευση τους στην είσδοδο μιας εγκατάστασης επεξεργασίας λυμάτων. Σε τέτοιες περιπτώσεις, μέθοδοι βιολογικής απομάκρυνσης θρεπτικών λόγω των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζουν κερδίζουν συνεχώς έδαφος και τον τελευταίο καιρό αποτελούν αντικείμενο έρευνας με στόχο την βελτιστοποίηση της εφαρμογής τους. Διάφορα συστήματα πραγματικής κλίμακας έχουν προταθεί και λειτουργούν για την επεξεργασία στραγγιδίων. Στα περισσότερα από αυτά η απομάκρυνση του φωσφόρου γίνεται βιολογικά με ταυτόχρονη βιολογική απομάκρυνση αζώτου μέσω νιτρωδοποίησης-απονιτρωδοποίησης. Η παρουσία νιτρώδους αζώτου που προκύπτει από την πλήρη οξείδωση της αμμωνίας σε νιτρώδη σε ένα τέτοιο σύστημα μπορεί να επηρεάσει την ομαλή λειτουργία της βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου αφού το νιτρώδες άζωτο αποτελεί αναχαιτιστικό παράγοντα για τα πολυφωσφορικά βακτήρια. Για την επίτευξη των στόχων της παρούσας διερεύνησης κρίθηκε σκόπιμη η ανάπτυξη καλλιέργειας πολυφωσφορικών βακτηρίων έτσι ώστε, μέσω ενός συνόλου πειραμάτων να διερευνηθεί η επίδραση του νιτρώδους αζώτου στην εν λόγω καλλιέργεια. Για τον παραπάνω σκοπό χρησιμοποιήθηκε αντιδραστήρας διαλείποντος έργου εναλλασσόμενων φάσεων λειτουργίας (SBR) που λειτούργησε την περίοδο Οκτώβριος 2016 – Μάιος 2017 στο εργαστήριο υγειονομικής τεχνολογίας της σχολής πολιτικών μηχανικών του ΕΜΠ. Η λειτουργία του αντιδραστήρα SBR χωρίζεται σε δύο επιμέρους φάσεις. Κατά την πρώτη φάση λειτουργίας λόγω ελλιπούς σχεδιασμού του συστήματος δεν ήταν δυνατή η επίτευξη της διεργασίας της βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου από το σύστημα. Οι λόγοι της παραπάνω αστοχίας συνοψίζονται στην αδυναμία ελέγχου της μεταβολής του pH σε εύρη τιμών που δεν επιτρέπουν την ανάπτυξη πολυφωσφορικών βακτηρίων (pH<6,5 και pH>8,5) αλλά και στην υψηλή συγκέντρωση ευκολοδιασπάσιμου οργανικού φορτίου (CODδιαλυτό>400 mg/L) κατά την έναρξη του αναερόβιου κύκλου λειτουργίας. Τα δύο παραπάνω προβλήματα αντιμετωπίστηκαν στην δεύτερη φάση λειτουργίας του συστήματος μέσω εφαρμογής δύο ημερήσιων κύκλων λειτουργίας αντί ενός στην πρώτη φάση. Ο νέος σχεδιασμός είχε σαν αποτέλεσμα το οργανικό φορτίο κατά την έναρξη του αναερόβιου κύκλου λειτουργίας του συστήματος να είναι περίπου το μισό (2 ημερήσιοι αναερόβιοι κύκλοι αντί ενός του αρχικού σχεδιασμού) ενώ μείωσε σημαντικά το εύρος διακύμανσης της τιμής του pH το οποίο κυμαινόταν πλέον σε τιμές 7,8<pH<8,2. Η τροφοδοσία του συστήματος SBR γινόταν με συνθετικά λύματα με την σύσταση τους να περιγράφεται λεπτομερώς στο κεφάλαιο 3. Κατά την έναρξη λειτουργίας του αντιδραστήρα SBR χρησιμοποιήθηκε βιομάζα από την εγκατάσταση επεξεργασίας λυμάτων της Ψυτάλλειας. Στην πρώτη φάση λειτουργίας λόγω των αστοχιών που αναφέρθηκαν νωρίτερα δεν ήταν δυνατή η εκτέλεση πειραμάτων διερεύνησης. Στην δεύτερη φάση και αφού στο σύστημα επιτεύχθηκαν σταθερές συνθήκες ξεκίνησε η εκτέλεση batch πειραμάτων ώστε να πραγματοποιηθούν οι στόχοι της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Για τα batch πειράματα χρησιμοποιήθηκαν ως βιοαντιδραστήρες 3 περιέκτες εργαστηρίου στους οποίους γινόταν πρόσθεση 560 mL ανάμεικτου υγρού στον κάθε έναν από τον αντιδραστήρα SBR. Στον πρώτο βιοαντιδραστήρα γινόταν το πείραμα Control όπου υπολογιζόταν ο ρυθμός αερόβιας δέσμευσης φωσφόρου από την βιομάζα απουσία τοξικής ουσίας ενώ στους άλλους δύο γινόταν πρόσθεση κατάλληλης ποσότητα διαλύματος νιτρώδους νατρίου (NaNO2) ώστε η συγκέντρωση νιτρώδους αζώτου να είναι κάθε φορά η επιθυμητή. Ο δεύτερος και ο τρίτος βιοαντιδραστήρας είχαν την ίδια συγκέντρωση νιτρώδους αζώτου έτσι ώστε να ελεγχθεί η επαναληψιμότητα των αποτελεσμάτων. Λόγω της διεργασίας της νιτροποίησης εντός των βιοαντιδραστήρων του batch πειράματος το νιτρώδες άζωτο οξειδωνόταν σύντομα σε νιτρικό μειώνοντας την συγκέντρωση του νιτρώδους αζώτου με αποτέλεσμα να μην διατηρούνται σταθερές συνθήκες στο σύστημα. Για την αντιμετώπιση του παραπάνω προβλήματος, μια ημέρα πριν την εκτέλεση του batch πειράματος, γινόταν αντίστοιχο πείραμα υπολογισμού του ρυθμού οξείδωσης του νιτρώδους αζώτου σε νιτρικό. Τα αποτελέσματα του εν λόγω πειράματος χρησιμοποιούνταν στη συνέχεια στο κύριο batch πείραμα όπου ανά τακτά χρονικά διαστήματα γινόταν προσθήκη κατάλληλης ποσότητας πυκνού διαλύματος NaNO2 ώστε η συγκέντρωση του νιτρώδους νατρίου στους αντιδραστήρες τους πειράματος να διατηρείται όσο το δυνατόν περισσότερο σταθερή και κοντά στην εξεταζόμενη τιμή. Τα πειράματα διερεύνησης έγιναν σε 2 σειρές. Η πρώτη έγινε για τιμή pH σταθερή και ίση με 8 και περιελάμβανε 6 πειράματα με εξεταζόμενες συγκεντρώσεις νιτρώδους αζώτου 10 mg/L, 25 mg/L, 50 mg/L, 150 mg/L, 250 mg/L, και 300 mg/L. Στη δεύτερη σειρά τα πειράματα που εκτελέστηκαν ήταν 4 σε συγκεντρώσεις νιτρώδους αζώτου 5 mg/L, 10 mg/L, 25mg/L και 50 mg/L και τιμή pH ίση με 7. Η μέγιστη αναχαίτιση των πολυφωσφορικών βακτηρίων εντοπίστηκε σε συγκέντρωση νιτρώδους αζώτου 300 mg/L στην πρώτη σειρά πειραμάτων ενώ στην δεύτερη στα 50 mg/L. Ο λόγος της παραπάνω διαφοροποίησης είναι η συγκέντρωση του ελεύθερου νιτρώδους οξέος (FNA) το οποίο αποτελεί μιας από τις δύο μορφές του νιτρώδους αζώτου (η δεύτερη είναι τα νιτρώδη ΝΟ2) που εμφανίζεται σε ένα διάλυμα. Το FNA αποτελεί τον κύριο αναχαιτιστικό παράγοντα των πολυφωσφορικών βακτηρίων με την συγκέντρωση του να αυξάνεται όσο μικρότερη είναι η τιμή του pH για σταθερή συγκέντρωση νιτρώδους αζώτου. Ένα σύνολο batch πειραμάτων πραγματοποιήθηκαν επίσης όποτε ήταν απαραίτητο για τον έλεγχο της κατάστασης της βιομάζας του αντιδραστήρα SBR αλλά και για την διερεύνηση πιθανής αναχαίτισης των πολυφωσφορικών λόγω υψηλής συγκέντρωσης διαλυτών στερεών στους βιοαντιδραστήρες. Τέλος, βάσει των αποτελέσματων που προέκυψαν για τις δύο σειρές πειραμάτων έγινε προσπάθεια μαθηματικής προσομοίωσης εκτίμησης του βαθμού αναχαίτισης των πολυφωσφορικών βακτηρίων όταν αυτά εκτεθούν σε διάφορες συγκεντρώσεις νιτρώδους αζώτου.