Βιοαντιδραστήρες μεμβρανών για την επεξεργασία βιομηχανικών λυμάτων

Abstract

In the first part of this thesis the operation of a MBR pilot plant treating industrial wastewater at the Heraklion Industrial Park was investigated. The pilot treats industrial wastewater that is primarily characterized by high organic carbon concentrations and high fluctuations in composition without any other pre-treatment, other than grit removal. The analyzes performed were to examine a) the effect of SRT on effluent quality b) the accumulation of Extracellular Polymeric Substances (EPS) and Soluble Microbial Products (SMP) in order to investigate the effect of SRT on clogging of the membranes and c) the effect of Hydraulic Retention Time (HRT) both on effluent quality and on EPS and SMP accumulation, at a constant SRT.Moreover, in part b of this thesis and in the broader context of the term 'membrane bioreactor' an attached growth biomass reactor was examined. This reactor uses a patented textile as a medium for the treatment of a synthetic wastewater that simulates the wastewater from marine aquaculture facilities. Initially, consortia of marine bacteria were developed in the system and they were supplemented with the addition of microalgae. The main objectives of this study were: a)to find the optimal pump operation time of the reactor b)the description of the biofilm community screening using the Pyrosequencing method c)the estimation of total microalgal and bacterial cells number per square centimeter of biofilm using the algorithm of the most probable number (MPN) d)the treatment capacity efficiency of the system (removal of organic carbon, nitrogen and phosphorus) under changes in carbon per nitrogen ratio of the synthetic wastewater e)the examination of bacterial community stability using Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (DGGE) f)the description of the link of the treatment with the presence of certain groups microbes. Quantification of gene copy numbers was performed with the Real-Time PCR. Specifically the amplification of ammonia-oxidizing archaeal (AOA) and ammonia-oxidizing bacterial (AOB) amoA gene and the amplification of denitrifying genes nirK, nirS, and nosZ were carried out.

Στο α μέρος της παρούσας διατριβής μελετάται μια πιλοτική μονάδα βιολογικού καθαρισμού με βιοαντιδραστήρα μεμβρανών, η οποία επεξεργάζεται τα βιομηχανικά απόβλητα που εισέρχονται στις εγκαταστάσεις του βιολογικού της ΒΙ.ΠΕ Ηρακλείου Κρήτης, χωρίς καμμία προεπεξεργασία, πέραν από αυτή της εσχάρωσης. Το συγκεκριμένο απόβλητο χαρακτηρίζεται κυρίως από το πολύ υψηλό οργανικό φορτίo που περιέχει και τις υψηλές διακυμάνσεις στη σύστασή του. Οι αναλύσεις που πραγματοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια της διατριβής στο συγκεκριμένο σύστημα αφορούσαν α) την εξέταση της επίδρασης του χρόνου παραμονής της λάσπης στην ποιότητα της εκροής β) τον προσδιορισμό των διαλυτών και δεσμευμένων εξωκυτταρικών πολυμερών που παράγονται στο σύστημα με στόχο την διερεύνηση της επίδρασης του χρόνου παραμονής της λάσπης στην έμφραξη των μεμβρανών και γ) την εξέταση της επίδρασης του υδραυλικού χρόνου παραμονής τόσο στην ποιότητα εξόδου της εκροής, όσο και στη συσσώρευση των εξωκυτταρικών πολυμερών ενώσεων και των διαλυτών μικροβιακών προϊόντων, σε σταθερό χρόνο παραμονής της λάσπης.Επιπλέον στα πλαίσια αυτής της διατριβής και στα ευρύτερα πλαίσια του όρου ‘βιοαντιδραστήρες μεμβρανών’ στο β μέρος εξετάστηκε ένας αντιδραστήρας προσκολλημένης βιομάζας χρησιμοποιώντας ως μέσο ανάπτυξης των μικροοργανισμών ένα πατενταρισμένο ύφασμα με στόχο τη μελέτη της επεξεργασίας ενός συνθετικού αποβλήτου που προσομοιώνει το ‘βιομηχανικό’ απόβλητο που προέρχεται από την έξοδο θαλασσινών υδατοκαλλιεργειών. Με την πάροδο του χρόνου αναπτύχθηκαν βακτήρια πάνω στο ύφασμα του αντιδραστήρα και κατόπιν πραγματοποιήθηκε ο εμβολιασμός του συστήματος με συγκεκριμένο γένος μικροαλγών για την αποτελεσματικότερη λειτουργία του. Οι αναλύσεις οι οποίες πραγματοποιήθηκαν στο συγκεκριμένο σύστημα είχαν ως στόχο: α) τον προσδιορισμό του βέλτιστου χρόνου λειτουργίας της αντλίας του αντιδραστήρα β) την περιγραφή της μικροβιακής κοινότητας που αποτελούσε το βιοφίλμ που αναπτύχθηκε στο ύφασμα του αντιδραστήρα και που προσδιορίστηκε συγκεκριμένα με τη μέθοδο του Pyrosequencing. γ) τον προσδιορισμό του αριθμού των συνολικών κυττάρων των μικροαλγών και των βακτηρίων ανά τετραγωνικό εκατοστό βιοφίλμ που εκτιμήθηκε με βάση τον αλγόριθμο του πιο πιθανού αριθμού (Most Probable Number - MPN) δ) την αποδοτικότητα του συστήματος (όσον αφορά τις απομακρύνσεις οργανικού υλικού, αζώτου και φωσφόρου) σε διάφορες αναλογίες άνθρακα προς άζωτο του τροφοδοτούμενου αποβλήτου ε) την εξέταση της σταθερότητας της βακτηριακής κοινότητας μέσω της τεχνικής της ηλεκροφόρησης σε πολυακρυλαμίδη σε διαβάθμιση αποδιατακτικών μέσων (DGGE) στ) τη σύνδεση συγκεκριμένων ομάδων μικροοργανισμών με την επεξεργασία του αποβλήτου. Η ποσοτικοποίηση του αριθμού γονιδίων πραγματοποιήθηκε με την τεχνική της Real-Time PCR. Συγκεκριμένα πραγματοποιήθηκε ο πολλαπλασιασμός των οξειδωτών αμμωνίας για τα αρχαία (AOA- ammonia oxidizing archaeal) και τα βακτήρια (AOB- ammonia Oxidizing Bacteria) (γονίδιο amoΑ), καθώς και ο πολλαπλασιασμός των γονιδίων απονιτροποίησης nirK, nirS, and nosZ.