Απονιτροποίηση πόσιμου νερού

Abstract

Worldwide an increase of nitrate concentrations observed in groundwater, as a result of the use of fertilizers, and the industrial wastewater, raises concerns due to the severe impacts on human health. Research is carried out towards nitrate removal from water resources, whereas the most promising approach being studied is biological denitrification. Biological denitrification is considered to be the most economical strategy among other conventional techniques like physicochemical. Denitrification is the respiratory process in which bacteria use nitrates or nitrites as terminal electron acceptors, while reduction of nitrates from contaminated water to nitrogen gas can occur. In heterotrophic denitrification, organic carbon compounds can be used by denitrifiers as a source of biosynthetic carbon and electrons. Autotrophic denitrifiers utilize reduced inorganic compounds, such as sulphur, iron and hydrogen as electron sources and inorganic carbon for biosynthesis. In the present study, denitrification of potable water was studied in several reactors such as suspended growth, fixed bed reactors laboratory and pilot scale. Experiments were conducted in order to examine the behavior of mixed denitrifying cultures under autotrophic and heterotrophic conditions. Experiments were carried out in fixed bed reactors (laboratory and pilot scale) for autotrophic and heterotrofic denitrification. A variety of operational conditions was examined, with a view of safe removal and decline operational problems. Finally, mathematical models were created which were capable to describe the denitrification process under heterotrophic conditions in suspended growth reactors and in fixed bed pilot scale reactor. A mathematical model for autotrophic denitrification was developed which estimates the consumption of four nutrients in the denitrification process for several gas flow rates in fixed bed laboratory scale reactor.

Παγκοσμίως, παρατηρείται μια αύξηση των συγκεντρώσεων των νιτρικών στα υπόγεια νερά ως αποτέλεσμα της χρήσης λιπασμάτων και βιομηχανικών αποβλήτων, που έχουν σοβαρές επιδράσεις στην ανθρώπινη υγεία. Για το λόγο αυτό μέρος της έρευνας έχει στραφεί στην απομάκρυνση νιτρικών από πηγές νερού, ενώ η πιο υποσχόμενη μέθοδος που μελετάται είναι η απονιτροποίηση. Η απονιτροποίηση θεωρείται ότι είναι η πιο οικονομική μέθοδος επεξεργασίας σε σχέση με άλλες συμβατικές μεθόδους, όπως οι φυσικοχημικές. Η απονιτροποίηση είναι μια διαδικασία αναπνοής στην οποία τα βακτήρια χρησιμοποιούν τα νιτρικά ή τα νιτρώδη σαν τελικούς δέκτες ηλεκτρονίων, ενώ λαμβάνει χώρα η αναγωγή των νιτρικών του ρυπασμένου νερού σε αέριο άζωτο. Στην απονιτροποίηση διακρίνονται δύο κατηγορίες η ετερότροφη και η αυτότροφη απονιτροποίηση. Στην ετερότροφη απονιτροποίηση ο οργανικός άνθρακας μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν πηγή βιοσυνθετικού άνθρακα και ηλεκτρονίων. Οι αυτότροφοι απονιτροποιητές χρησιμοποιούν ανόργανες ενώσεις, όπως το θείο, ο σίδηρος και το υδρογόνο σαν πηγή ηλεκτρονίων και ανόργανη πηγή άνθρακα για τη βιοσύνθεση. Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε η απονιτροποίηση πόσιμου νερού σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου αιωρούμενης ανάπτυξης και σταθερής κλίνης (εργαστηριακής και πιλοτικής κλίμακας). Αρχικά, πραγματοποιήθηκαν πειράματα για την διεξοδική μελέτη μεικτών απονιτροποιητικών καλλιεργειών υπό αυτότροφες και ετερότροφες συνθήκες σε αντιδραστήρες αιωρούμενης ανάπτυξης. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η αυτότροφη και η ετερότροφη απονιτροποίηση σε αντιδραστήρες σταθερής κλίνης εργαστηριακής και πιλοτικής κλίμακας, αντίστοιχα, σε διάφορες λειτουργικές συνθήκες, στοχεύοντας στην μέγιστη απόδοση των συστημάτων και την αποφυγή λειτουργικών προβλημάτων. Τέλος, αναπτύχθηκαν μαθηματικά μοντέλα ικανά να περιγράφουν τη διεργασία της απονιτροποίησης τόσο σε αυτότροφες όσο και σε ετερότροφες συνθήκες για τους αντιδραστήρες που χρησιμοποιήθηκαν. Τα μοντέλα επιτρέπουν το σωστό σχεδιασμό συστημάτων απομάκρυνσης νιτρικών, με γνώμονα το μικρότερο κόστος και τη μέγιστη απόδοση.