Παράμετροι βιοκαταβύθισης ιόντων μετάλλων σε βιολογικούς αντιδραστήρες κλίνης

Abstract

The present thesis aims at the development of a high-rate sulphate-reducing system for the treatment of acidic sulphate- and metal-bearing solutions, such as wastewater originating from mining and metallurgical industries, which is often acidic and typically characterized by a significant content of sulphate and soluble metals, and the precipitation of the metal ions as metal sulphides. In order to optimise the process, three simple carbon sources/electron donors, namely lactate, ethanol and acetate, were tested, aiming to examine their suitability for the maintenance of a sulphate-reducing biofilm, successful sulphate reduction, quantitative metal sequestering and minimisation of the residual organic carbon in the effluent of packed reactors running at different carbon:sulphate ratios. Based on the experimental results, a single-stage system comprising of an upflow reactor packed with inert carrier material is proposed. The specified support material was found to ensure the hydraulic stability of the system as well as the required immobilisation of the sulphate-reducing bacteria in a biofilm. The process followed for the enrichment and acclimation of the initial inoculum to simple carbon sources/electron donors generated a bacterial community largely dominated by Desulfobacter postgatei, an acetate-utilising sulphate-reducer. Therefore, the attained biofilm is capable of utilising the higher possible percentage of the fed carbon source, minimising the organic content of the effluent. This is a particularly important result in case carbon sources which are degraded via acetate generation, such as lactate and ethanol, are selected. Thus, it is experimentally shown that the proposed bioreactor system, when fed with ethanol and acidic sulphate-bearing solutions (initial concentration 1,8 g/L), has a remarkable capacity for neutralising acidic wastewater (initial pH 3-3.5) as well as for quantitatively sequestering soluble metal species (initial Fe(II), Zn, Cu, Ni concentration 0,1 g/L). In this case, sulphate reduction rate was experimentally determined to about 7 g/Ld whereas the residual organic carbon in the treated solution was determined at a level < 40 mg/L. The generated sludge, which consists mainly of amorphous phases of the precipitated metal sulphides, also included marcasite, wurtzite, sphalerite, covellite and heazlewoodite in microcrystalline structure.

Σκοπός της διατριβής ήταν η ανάπτυξη θειοαναγωγικού αντιδραστήρα υψηλής απόδοσης για την επεξεργασία όξινων διαλυμάτων θειικών ιόντων και ιόντων δισθενούς Fe, Zn, Cu και Ni και την καταβύθιση των μεταλλικών αξιών με τη μορφή θειούχων ενώσεων. Για τη βελτιστοποίηση της διεργασίας, μελετήθηκαν τρεις απλές πηγές άνθρακα/ηλεκτρονίων (γαλακτικό ιόν, αιθανόλη και οξικό ιόν) προκειμένου να ελεγχθεί η καταλληλότητά τους για τη διατήρηση θειοαναγωγικού βιολογικού στρώματος, την επιτυχή αναγωγή των θειικών ιόντων, την ποσοτική απομάκρυνση των ιόντων των μετάλλων και την ελαχιστοποίηση του υπολειπόμενου οργανικού φορτίου στο επεξεργασμένο διάλυμα αντιδραστήρων σταθερής κλίνης που λειτούργησαν με διαφορετικές αναλογίες άνθρακα:θειικών ιόντων στο διάλυμα τροφοδοσίας. Με βάση τα αποτελέσματα της πειραματικής μελέτης, προτείνεται κατ’ αρχήν ένα απλό σύστημα μιας βαθμίδας με αντιδραστήρα σταθερής κλίνης και ανοδικής ροής, με αδρανές πληρωτικό υλικό συγκεκριμένων προδιαγραφών που εξασφαλίζει την υδραυλική σταθερότητα του συστήματος αλλά και τη ζητούμενη ακινητοποίηση των θειοαναγωγικών βακτηρίων σε λεπτό βιολογικό στρώμα. Από τη διαδικασία που ακολουθήθηκε για τον εμπλουτισμό και την προσαρμογή του αρχικού εμβολίου σε απλές πηγές άνθρακα/ηλεκτρονίων, προέκυψε βακτηριακός πληθυσμός όπου επικράτησε το είδος Desulfobacter postgatei, το οποίο έχει τη χαρακτηριστική ιδιότητα να αποικοδομεί το οξικό ιόν που σχηματίζεται ενδιαμέσως κατά την οξείδωση του γαλακτικού ιόντος και της αιθανόλης. Το αποτέλεσμα αυτό είναι ιδιαιτέρως σημαντικό στην περίπτωση που επιλεχθούν αυτές οι πηγές άνθρακα/ηλεκτρονίων καθώς, έτσι, αξιοποιείται το υψηλότερο δυνατό ποσοστό του οργανικού άνθρακα που τροφοδοτείται στο σύστημα και ελαχιστοποιείται το οργανικό φορτίο στο επεξεργασμένο διάλυμα. O αντιδραστήρας αποδείχθηκε ότι, όταν τροφοδοτηθεί με αιθανόλη ως πηγή άνθρακα/ηλεκτρονίων, έχει δυνατότητα ποσοτικής απομάκρυνσης ιόντων δισθενούς Fe, Zn, Cu και Ni (αρχικής συγκέντρωσης 0,1 g/L) από όξινα (pH 3-3,5) συνθετικά διαλύματα θειικών ιόντων (αρχικής συγκέντρωσης 1,8 g/L). Σε αυτήν την περίπτωση, ο ρυθμός αναγωγής των θειικών ιόντων μπορεί να προσεγγίσει τα 7 g/Ld ενώ ο υπολειπόμενος ολικός οργανικός άνθρακας στο επεξεργασμένο διάλυμα προσδιορίστηκε σε τιμή χαμηλότερη από 40 mg/L. Στην παραγόμενη ιλύ, που αποτελείται κυρίως από άμορφες φάσεις θειούχων ενώσεων των μετάλλων, αναγνωρίστηκαν συμπλέγματα μικροκρυσταλλικών δομών μαρκασίτη, βουρτσίτη, σφαλερίτη, κοβελλίνη και χιζελγουντίτη.