Υδρογονοτροφική απονιτροποίηση πόσιμου νερού

Abstract

The increase of population, consumerism, but mainly the immoderate and thoughtless fertilization of fields and the increasing production of new chemical compounds, have led to considerable reduction of available reserves of potable water and to the relegation of their quality. The existence of nitrate and nitrite at underground and surface waters is one of the most important problems. The presence of nitrates in potable water causes undesirable for the human organism repercussions, as methemoglobinemia and various forms of cancer. It becomes, therefore, comprehensible that the need of undertaking of action is imperative. The last decades have become an important turn to the biological systems of treatment as they are friendly to the environment, and achieve high performances. The biological denitrification is a method of treatment that is realised via facultative bacteria that use NO₃⁻ as terminal electron acceptor for respiration, under anoxic conditions. Hydrogenotrophic denitrification is a promising method for nitrate removal of contaminated drinking water. Hydrogen gas is an excellent autotrophic choice, as electron donor, because of its clean nature and low biomass yield, as well as that no further steps are required to remove either excess substrate or its derivatives. In the present study the hydrogenotrophic denitrification of potable water in batch and packed-bed reactors was studied. Series of experiments were performed for the extensive study of the behaviour of a mixed hydrogenotrophic culture and the behaviour of pure cultures of hydrogenotrophic bacteria in reactors of suspended growth (batch). Experiments, also, were carried out in packed-bed reactors, under various operating conditions, for the determination of the optimum size of support material and the most effective way of operation, concerning the maximum efficiency without operating problems. Finally, mathematic models were developed which describe the process of hydrogenotrophic denitrification in batch and packed-bed reactors for various operating conditions and a wide range of NO₃⁻-N concentrations. The models allow the right planning of systems of NO₃⁻-N removal taking into consideration the lower cost with the highest performance.

Η αύξηση του πληθυσμού, του καταναλωτισμού, αλλά κυρίως η υπέρμετρη και αλόγιστη λίπανση των χωραφιών και η αυξανόμενη παραγωγή νέων χημικών ενώσεων, έχουν οδηγήσει σε σημαντική μείωση των διαθέσιμων αποθεμάτων πόσιμου νερού και στην ποιοτική υποβάθμισή τους. Η ύπαρξη νιτρικών και νιτρωδών είναι ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα των υπογείων και επιφανειακών νερών. Η παρουσία νιτρικών στο πόσιμο νερό προκαλεί ανεπιθύμητες για τον ανθρώπινο οργανισμό επιπτώσεις, όπως τη μεθαιμοσφαιριναιμία και διάφορες μορφές καρκίνου. Γίνεται, λοιπόν, κατανοητό ότι είναι επιτακτική η ανάγκη ανάληψης δράσης. Τις τελευταίες δεκαετίες έχει γίνει μια σημαντική στροφή προς τα βιολογικά συστήματα επεξεργασίας καθώς είναι φιλικά προς το περιβάλλον, και επιτυγχάνουν υψηλές αποδόσεις. Η βιολογική απονιτροποίηση είναι μία μέθοδος επεξεργασίας που πραγματοποιείται μέσω κατάλληλων μικροοργανισμών που χρησιμοποιούν τα Ν0₃⁻ ως τελικό δέκτη ηλεκτρονίων για αναπνοή υπό ανοξικές συνθήκες. Η υδρογονοτροφική απονιτροποίηση είναι μία πολλά υποσχόμενη μέθοδος απομάκρυνσης νιτρικών. Το Η₂ είναι μια άριστη επιλογή δότη ηλεκτρονίων, λόγω της καθαρής φύσης, της χαμηλής παραγωγής βιομάζας, καθώς επίσης δεν απαιτείται η αφαίρεση αυτού ή των παραγώγων του από το επεξεργασμένο νερό. Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε η υδρογονοτροφική απονιτροποίηση πόσιμου νερού σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου αιρούμενης ανάπτυξης και σταθερής κλίνης. Πραγματοποιήθηκαν σειρές πειραμάτων για τη διεξοδική μελέτη της συμπεριφοράς μικτής υδρογονοτροφικής καλλιέργειας και μεμονωμένων υδρογονοτροφικών βακτηριών σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου. Διεξήχθησαν πειράματα σε αντιδραστήρες σταθερής κλίνης, σε διάφορες λειτουργικές παραμέτρους, για τον προσδιορισμό του κατάλληλου μεγέθους πληρωτικού υλικού και του πιο αποτελεσματικού τρόπου λειτουργίας με γνώμονα τη μέγιστη απόδοση και την αποφυγή λειτουργικών προβλημάτων. Τέλος, αναπτύχθηκαν μαθηματικά μοντέλα τα οποία περιγράφουν τη διαδικασία της απονιτροποίησης σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου και σταθερής κλίνης για διαφορετικές λειτουργικές συνθήκες και ένα μεγάλο εύρος συγκεντρώσεων νιτρικού αζώτου. Τα μοντέλα επιτρέπουν το σωστό σχεδιασμό συστημάτων απομάκρυνσης νιτρικών με γνώμονα το μικρότερο κόστος με τη μεγαλύτερη απόδοση.