Διερεύνηση βιολογικών μεθόδων απομάκρυνσης ολικού και εξασθενούς χρωμίου από τα υπόγεια ύδατα

Abstract

This doctoral thesis focuses on microbial groundwater treatment for total and hexavalent chromium (Cr(VI)) removal. In recent decades, modern lifestyles, ie increasing use of chemicals and urban and industrial pollutants, are now a major threat to groundwater. A group of hazardous pollutants of anthropogenic and geogenic origin are heavy metals, in particular hexavalent chromium, which, once released into the geoenvironment, will eventually and massively end up in groundwater because it is usually soluble in water. Until today, the research has focused on the biological treatment of wastewater containing high concentrations of hexavalent chromium in excess of 1-5 mg/L. With regard to wastewater, Cr(VI) contaminated groundwater differs greatly, as there is usually no organic contamination that could support the growth of micro-organisms, and Cr(VI)concentrations usually do not naturally exceed 200 μg/L. These concentrations of Cr(VI) in groundwater, although significantly lower than the corresponding values found in the wastewater, make any use of groundwater prohibitive. The main purpose of this PhD thesis is to develop, implement and optimize a groundwater biological treatment system for the production of water suitable for industrial and agricultural use. The main targets of this PhD dissertation were: (a) to investigate the main factors influencing the removal of hexavalent and total chromium from groundwater, using biological methods of pumping and treatment; (b) optimizing the biological method of removing chromium from groundwater in order to achieve the maximum possible hexavalent and total chromium removal from the groundwater at the lowest possible cost; and (c) the study of the kinetics followed by the reduction of hexavalent chromium and the estimation of its’ toxic effect on microbial growth s. Investigation of the factors influencing hexavalent chromium and total chromium removal from groundwater was achieved by the design and operation of laboratory-scale sequential batch reactors (SBRs), with experiments carried out on a daily basis for 3 years. In the context of investigating the effect of various functional and environmental factors onbiological chromium removal from groundwater, the following factors were studied: a) The redox conditions prevailing in the bioreactors. The conditions initially studied were aerobic, anaerobic and anoxic, with any possible combination that could lead to the highest and fastest biotransformation of Cr(VI) to Cr(III). In particular, from the systems evaluated (anoxic-aerobic, anaerobic-aerobic,anoxic-anaerobic, anaerobic and aerobic), it was found that with reference to the anoxicaerobic and anaerobic-aerobic reactors, both achieved satisfactory hexavalent chromium within the 90 – 95% range, for an initial Cr(VI) concentration of 200 μg/L. The performance of anoxic-anaerobic and anaerobic systems was even higher , having reached 100% Cr(VI) removal. On the other hand, during the three-month operation of the aerobic system, it was not possible to demonstrate significant Cr(VI) removal. This may be due either to the fact that the duration of the experiments was not sufficient to develop an aerobic Cr(VI) reduction culture and/or that the relatively low concentration of Cr(VI) in the water to be treated was not high enough to generate a competitive advantage for aerobic Cr(VI)-reducing bacteria as compared to other non-reducing aerobic heterotrophic microorganisms. The aerobic reactor performance was not satisfactory at all, not exceeding 28%. (b) The type and concentration of electron donor required to be added to groundwater to support the biological reduction of Cr(VI). Under the anoxic and anaerobic conditions, SBRs were operated using three different types of carbon sources: a) milk, a complex organic carbon source, b) liquid cheese whey, a low cost complex organic carbon source and c) glucose, a simple low molecular weight easily biodegradable substrate. Although Cr(VI) removal efficiency of all systems studied exceeded 98%., the systems differ in the maximum Cr(VI) removal rates obtained. The maximum Cr(VI) removal rate obtained in the batch tests with milk was approximately 75 μg Cr(VI)/gVSS/h, with cheese whey 150 μg Cr(VI)/gVSS/h and with sugar οn 250 μg Cr(VI)/gVSS/h. These results demonstrate that the highest Cr(VI) removal rate was achieved with the most easily biodegradable substrate, namely sugar. Concerning the concentration of the electron donor in the systems studied, it was considered necessary from the results that thesubstrate concentration should be at least 200 mg COD/L so as to support a satisfactory Cr(VI) removal rate. Under conditions of lower substrate concentration (such as 100 and 150 mg/L), the performance and rate of Cr(VI) reduction decreased considerably. c) Evaluation of Cr(VI) toxicity on microbial Cr(VI) removal at high Cr(VI) concentrations. In this context, the study focused on systems with hexavalent chromium Cr(VI) concentrations of 0-3000 μg/L for the anaerobic and 0-15000 μg/L for the anoxic bioreactor with identical functional parameters. For hexavalent chromium concentrations up to 1.2 mg/L, the anaerobic systems functioned without any problem, with a Cr(VI) reduction rate ranging between 80-100% and CODsol removal more than 84%. In mostcases of fully acclimated biomass the microorganisms reduced the hexavalent chromium at the end of their operating cycle to 100% and the inhibition measured did not exceed 55%. Also, there was an increasing accumulation of trivalent chromium in the biomass by increasing the hexavalent chromium of the inlet. In the anaerobic system of 3 mg/L, almost complete inhibition of biomass growth was observed. The operation was not stable and the hexavalent chromium concentrations at the effluent were particularly high, resulting in a 100% inhibition of the biological reduction of Cr(VI). The anoxic-anaerobic systems in comparison with anaerobic systems showed much higherreduction capacity and reduced chromium concentrations of up to 15000 μg/L, exhibiting less inhibition at Cr(VI) high concentrations in groundwater and thus achieving higher Cr(VI) and TCr removal rates. Based on the results of the determination of the maximum growth rates ofmicroorganisms as a function of hexavalent chromium concentration under anaerobic andanoxic-anaerobic conditions, it was estimated that the inhibition induced by hexavalent chromium is described by Levenspiel's model which is in the form: = ∗ (1 − ) , where μmax is the maximum specific growth rate determined in the absence of Cr(VI) according to Monod’s function, μmax is the maximum specific growth rate determined in the presence of a Cr(VI) concentration of approximately P, Pm is minimum Cr(VI) concentration that causes 100% microbial inhibition and β=2. In the context of the above experiments, Fluorescent In situ Hybridization (FISH) method was used to identify and quantify microbial biocenosis in the biological groundwaterbiological treatment systems. It was found that during anoxic and anaerobic conditions theprevailing microbial groups were denitrifying and sulfate-reducing bacteria, respectively. (d) Temperature effects on microbial Cr removal. Biological treatment systems should achieve a high degree of chromium removal at ambient temperatures with no heating required, therefore the effects of temperature on Cr(VI) removal was studied. Based on the results, Cr(VI) removal was completed within a few hours for an initial concentration of 200 μg/L at all temperatures tested (12 °C, 17 °C, 33 °C). The maximum Cr(VI) reduction rates measured by the batch experiments were found to increase with temperature according to Arrhenius equation. After adjusting the experimental data to the Arrhenius equation, the following equation was obtained: k = 5 ∗ 107∗ 6 0,0656 , where T is the temperature in degrees Kelvin and k in Cr (VI)/gVSS * hr, transforming it in a more usable form: k = 125,5 ∗ 1,027−20 where T is in Celsius and k is in μg Cr(VI)/gVSS * hr. e) The effect of hydraulic residence time and the use of a sand-filter following an anaerobicSBR. From the experiments performed with different hydraulic residence time, it was concluded that anaerobic and anoxic-anaerobic with HRT between 0,7-1,7 d-1, successfully biotransformed the initial Cr(VI) to the clearly less hazardous Cr(III) supporting high removal rates , and providing treatment to multiple volumes of contaminated water. According to the findings of this thesis, an integrated treatment system comprising of an anaerobic SBR followed by a sand filtration unit provides almost complete total and hevalent chromium removal. Biological and physical treatment of groundwater with an initial Cr(VI) concentration of 200 μg/L resulted in effluent total and dissolved chromium concentrations that were in the 3-10 μg/L and 0.5-2.5 μg/L range, respectively.f) Treatment cost evaluation. A cost evaluation of an SBR water treatment unit, was carried out at a full scale level. For a full scale SBR unit with a treatment capacity of 10 m3/d, the total cost varies between 0.68 - 0.86 €/m3, depending on the type of substrate used. Respectively the cost of an SBR system with a treatment capacity of 100 m3/d varies between 0.16 - 0.34 €/m3.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως κύριο αντικείμενο την αντιμετώπιση της ρύπανσης των υπόγειων υδάτων με χρώμιο. Τα υπόγεια ύδατα, τα οποία αποτελούν αξιοποιήσιμους υδατικούς πόρους, συνήθως χαρακτηρίζονται ως καλής ποιότητας ύδατα, λόγω της φυσικής διήθησης τους μέσω της διέλευσης τους από εδαφικά στρώματα. Τις τελευταίες δεκαετίες η αύξηση της χρήσης χημικών και οι παραγόμενοι ρύποι από ανθρωπογενείς δραστηριότητες, αποτελούν μεγάλη απειλή για αυτά. Στους επικίνδυνους ρύπους ανθρωπογενούς αλλά και γεωγενούς προέλευσης κατατάσσονται τα βαρέα μέταλλα και πιο συγκεκριμένα το εξασθενείς χρώμιο Cr(VI), το οποίο από τη στιγμή που θα απελευθερωθεί στο γεω-περιβάλλον, σε ένα μεγάλο ποσοστό θα καταλήξει σταυπόγεια νερά, γιατί είναι συνήθως ευδιάλυτο στο νερό. Μέχρι σήμερα η έρευνα εστιαζόταν στη βιολογική επεξεργασία υγρών αποβλήτων που περιέχουν υψηλές συγκεντρώσεις εξασθενούς χρωμίου που υπερβαίνουν το 1 – 5 mg/L. Σε σχέση με τα υγρά απόβλητα, τα ρυπασμένα με Cr(VI) υπόγεια ύδατα παρουσιάζουν σημαντικές διαφορές καθώς υπάρχει συνήθως απουσία οργανικής ρύπανσης που θα μπορούσε να υποστηρίξει την ανάπτυξη μικροοργανισμών και οι συγκεντρώσεις Cr(VI) συνήθως δεν υπερβαίνουν τα 200 μg/L. Οι συγκεντρώσεις αυτές του Cr(VI) στα υπόγειαύδατα παρότι είναι σημαντικά χαμηλότερες των αντίστοιχων τιμών που συναντώνται στα απόβλητα, καθιστούν απαγορευτική την οποιαδήποτε χρήση του υπόγειου νερού. Από την ανάγκη αυτή για επεξεργασία των υπόγειων υδάτων που περιέχουν Cr(VI) ανέκυψε ο κύριος στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής που είναι η ανάπτυξη, εφαρμογή και βελτιστοποίηση ενός συστήματος βιολογικής επεξεργασίας των υπόγειων υδάτων για την παραγωγή νερού κατάλληλου για βιομηχανική και αγροτική χρήση. Οι επιμέρους στόχοι της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι: α) η διερεύνηση των κυριότερων παραγόντων που επιδρούν στην απομάκρυνση εξασθενούς και ολικού χρωμίου από τα υπόγεια ύδατα, με τη χρήση βιολογικών μεθόδων άντλησης κι επεξεργασίας β) η βελτιστοποίηση της βιολογικής μεθόδου απομάκρυνσης του χρωμίου από τα υπόγεια νερά με στόχο την επίτευξη της μέγιστης δυνατής απομάκρυνσης εξασθενούς και ολικού χρωμίου από τα υπόγεια ύδατα στο χαμηλότερο δυνατό κόστος και γ) η μελέτη της κινητικής που ακολουθεί η αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου και η εκτίμηση της τοξικής επίδρασης του στην ανάπτυξη των μικροοργανισμών. Η διερεύνηση των παραγόντων που επιδρούν στην απομάκρυνση εξασθενούς χρωμίου και ολικού χρωμίου από τα υπόγεια ύδατα, επιτεύχθηκε με τη σχεδίαση και λειτουργίαβιοαντιδραστήρων διαλείποντος έργου (SBR) εργαστηριακής κλίμακας, με μετρήσεις που διεξάγονταν σε καθημερινή βάση για 3 χρόνια. Στο πλαίσιο της διερεύνησης της επίδρασης διαφόρων λειτουργικών και περιβαλλοντικών παραγόντων στη βιολογική απομάκρυνση του χρωμίου από τα υπόγεια νερά, εξετάσθηκαν οι ακόλουθοι παράγοντες: α) Οι οξειδοαναγωγικές συνθήκες που επικρατούν στον βιοαντιδραστήρα. Οι συνθήκες που μελετήθηκαν αρχικά ήταν αερόβιες, αναερόβιες και ανοξικές, με κάθε πιθανό συνδυασμό που θα μπορούσε να επιφέρει τη μεγαλύτερη και ταχύτερηβιομετατροπή του Cr(VI) σε Cr(ΙΙI). Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των πειραμάτων βιολογικά συστήματα που περιλαμβάνουν ανοξικές ή αναερόβιες συνθήκες επιτυγχάνουν υψηλή απομάκρυνση Cr(VI) που πλησιάζει το 100%. Αντίθετα η απομάκρυνση Cr(VI) σε αερόβιο αντιδραστήρα δεν ήταν καθόλου ικανοποιητική, μη ξεπερνώντας το 28%. β) Το είδος και η συγκέντρωση της οργανικής τροφής που απαιτείται να προστίθεται στο υπόγειο νερό για την υποστήριξη της βιολογικής αναγωγής του Cr(VI). Εξετάσθηκαν κάτω από ανοξικές και αναερόβιες συνθήκες αντιδραστήρες SBRs που λειτουργούσαν με τρεις διαφορετικούς τύπους πηγών άνθρακα: α) γάλα που περιέχεικυρίως δύσκολα βιοδιασπάσιμες ουσίες β) το υγρό τυρογάλακτος, μία χαμηλού κόστους δύσκολα βιοδιασπάσιμη πηγή οργανικού άνθρακα και γ) η γλυκόζη, μια απλή, χαμηλού μοριακού βάρος εύκολα βιοδιασπάσιμη οργανική ένωση. Η αποδοτικότητα ως προς την απομάκρυνση του Cr(VI) όλων των συστημάτων που μελετήθηκαν, ξεπέρασε το 98%, ωστόσο τα αποτελέσματα αυτών, στα ασυνεχή πειράματα (batch tests) μελέτης του ρυθμού απομάκρυνσης Cr(VI) με γάλα κυμάνθηκαν περίπου κατά μέσο όρο στα 75 μg Cr(VI)/gVSS/h, με τυρόγαλο στα 150 μg Cr(VI)/gVSS/h, ενώ με τη ζάχαρη κατά μέσο όρο στα 250 μg Cr(VI)/gVSS/h. Αυτά τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι ο υψηλότερος ρυθμός απομάκρυνσης Cr(VI) επιτεύχθηκε με το πιο εύκολα βιοδιασπώμενο υπόστρωμα δηλαδή τη ζάχαρη. Σχετικά με τη συγκέντρωση του δότη ηλεκτρονίων στα υπό μελέτη συστήματα, κρίθηκε αναγκαίο από τα αποτελέσματα, η συγκέντρωση των υποστρωμάτων να είναι κατ’ ελάχιστο 200 mg CΟD/L, ώστε να μην εμποδίζεται η ταχύτητα αναγωγής του. Σε συνθήκες χαμηλότερης συγκέντρωσης υποστρώματος (όπως 100 και 150 mg/L), η απόδοση και ο ρυθμός αναγωγής του Cr(VI) μειώθηκαν αισθητά, γεγονός που ενισχύει τα παραπάνω ευρήματα για την ελάχιστησυγκέντρωση υποστρώματος. γ) Η συμπεριφορά συστημάτων επεξεργασίας υπογείου νερού επιβαρυμένου με υψηλές συγκεντρώσεις Cr(VI), ο προσδιορισμός των μέγιστων ρυθμών ανάπτυξης των μικροοργανισμών και τα όρια τοξικότητας τους. Στο πλαίσιο αυτό μελετήθηκαν συστήματα σε συγκεντρώσεις εξασθενούς χρωμίου Cr(VI) ίσες με 0-3000 μg/L για τον αναερόβιο και 0-15000 μg/L για τον ανοξικό-αναερόβιο βιοαντιδραστήρα, με ίδιες λειτουργικές παραμέτρους μεταξύ τους. Για συγκεντρώσεις εξασθενούς χρωμίου έως 1,2 mg/L, τα υπό μελέτη αναερόβια συστήματα λειτούργησαν χωρίς πρόβλημα, με απόδοση αναγωγής Cr(VI) που κυμαινόταν μεταξύ 80-100% καιαπομάκρυνση CODsol μεγαλύτερη του 84%. Στις περισσότερες περιπτώσεις πλήρως εγκλιματισμένης βιομάζας οι μικροοργανισμοί ανήγαγαν το εξασθενείς χρώμιο στο πέρας του κύκλου λειτουργίας τους σε ποσοστό 100% και η αναχαίτιση που μετρήθηκε δεν ξεπέρασε το 55%. Επίσης, παρατηρήθηκε αυξανόμενη συσσώρευση τρισθενούς χρωμίου στη βιομάζα με την αύξηση του εξασθενούς χρωμίου της εισόδου. Στο αναερόβιο σύστημα των 3 mg/L παρατηρήθηκε φθίνουσα λειτουργία και σχεδόν πλήρης αναχαίτιση της ανάπτυξης της βιομάζας. Η λειτουργία δεν ήταν σταθερή και οι συγκεντρώσεις του εξασθενούς χρωμίου στην έξοδο ήταν ιδιαίτερα υψηλές, με αποτέλεσμα την 100% αναχαίτιση της βιολογικής αναγωγής του Cr(VI). Τα ανοδικά-αναερόβια συστήματα σε σύγκριση με τα αναερόβια συστήματα παρουσίασαν πολύ μεγαλύτερη αναγωγική ικανότητα και έφθασαν να ανάγουν συγκεντρώσεις χρωμίου της τάξης των 15000 μg/L, να παρουσιάζουν μικρότερη αναχαίτιση στις υψηλές συγκεντρώσεις Cr(VI) στο υπόγειο νερό και κατά συνέπεια να επιτυγχάνουν υψηλότερα ποσοστά απομάκρυνσης Cr(VI) και TCr. Με βάση τα αποτελέσματα του προσδιορισμού των μέγιστων ρυθμών ανάπτυξης των μικροοργανισμών συναρτήσει της συγκέντρωσης του εξασθενούς χρωμίου κάτω από αναερόβιες και ανοξικές-αναερόβιες συνθήκες, υπολογίσθηκε ότι η αναχαίτιση που προκαλείται από το εξασθενείς χρώμιο περιγράφεται από τη σχέση του Levenspiel η οποία είναι της μορφής: = ∗ (1 −) , όπου ο μmax αποτελεί το μέγιστο ρυθμό ειδικής ανάπτυξης Monod που προσδιορίζεται απουσία Cr(VI), μmaxi αποτελεί το μέγιστο ρυθμό ειδικής ανάπτυξης Monod που προσδιορίζεται παρουσία Cr(VI) συγκέντρωσης Ρ, Pm είναι η συγκέντρωση Cr(VI) στην οποία παρουσιάζεται πλήρηςαναχαίτιση, P είναι η συγκέντρωση Cr(VI) και β σταθερά που ισούται με 2. Στο πλαίσιο των ανωτέρω πειραμάτων εφαρμόστηκε η μέθοδος της Φθορίζουσας Επί Τόπου Υβριδοποίησης (Fluorescent In Situ Hybridization– FISH), με στόχο τον ποσοτικό προσδιορισμό των βακτηρίων που αναπτύχθηκαν στο σύστημα βιολογικής επεξεργασίας των υπόγειων υδάτων της διατριβής και βρέθηκε ότι αποτελούνταν κυρίως από απονιτροποιητικά και θειοαναγωγικά βακτήρια. δ) Διερεύνηση της επίδρασης της θερμοκρασίας στον βαθμό απομάκρυνσης του Cr(VI) και του ολικού Cr. Το σύστημα επεξεργασίας θα πρέπει να επιτυγχάνει υψηλό βαθμό απομάκρυνσης χρωμίου σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος και να μην απαιτείται θέρμανση, για το λόγο αυτό εξετάστηκε η επίδραση της θερμοκρασίας στην απόδοση του συστήματος. Βάσει των αποτελεσμάτων, η απομάκρυνση του Cr(VI) γινόταν εντός λίγων ωρών για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) ίση με 200 μg/L σε όλες τις θερμοκρασίες που εξετάστηκαν (12 °C, 17 °C, 33 °C). Οι μέγιστες ειδικές ταχύτητες αναγωγής που μετρήθηκαν μέσω των ειδικών πειραμάτων (batch) βρέθηκε ότι αυξάνονται με τη θερμοκρασία σύμφωνα με την εξίσωση Arrhenius. Μετά από προσαρμογή των πειραματικών δεδομένων στην εξίσωση Arrhenius προέκυψε η παρακάτω σχέση: = 5 ∗ 107∗ 6 0,0656 , όπου Τ η θερμοκρασία σε Kelvin και το k μετριέται σε Cr(VI)/gVSS*hr μετασχηματίζοντας την σε μια πιο εύχρηστη μορφή: = 125,5 ∗ 1,027−20, όπου Τ η θερμοκρασία σε Κελσίου και το k να μετριέται σε μg Cr(VI)/gVSS*hr. ε) H επίδραση του υδραυλικού χρόνου παραμονής και η χρήση αμμόφιλτρου κατάντι της εκροής ενός αναερόβιου αντιδραστήρα. Από τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν με διαφορετικό υδραυλικό χρόνο παραμονής (0,7-1,7 d-1) εξήχθη το συμπέρασμα ότι τα αναερόβια και ανοδικά-αναερόβια συστήματα πολλαπλής τροφοδοσίας βιομετατρέπουν επιτυχώς την εισερχόμενη συγκέντρωση Cr(VI) στο σαφώς πιο ακίνδυνο Cr(III) δίνοντας υψηλά ποσοστά αποδόσεων, επεξεργαζόμενα πολλαπλάσιο όγκο ρυπασμένου νερού. Σχετικά με τη χρήση αμμόφιλτρου κατάντι ενός αντιδραστήρα, η επεξεργασία νερού, που περιέχει αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) της τάξης των 200 μg/L, από ένα σύστημα αναερόβιου αντιδραστήρα διαλείποντος έργου-αμμοδιυλιστηρίου, μπορεί να οδηγήσει σε πλήρη απομάκρυνση όχι μόνο Cr(VI) αλλά και του ολικού χρωμίου. Συγκεκριμένα, επιτυγχάνεται απομάκρυνση εξασθενούς πάνω από 99% και ολικού χρωμίου πάνω από 90% και οι τελικές συγκεντρώσεις εκροής είναι αντίστοιχα 0,5-2,5 μg/L και 3-10 μg/L.Αποτέλεσμα αυτού, η ευκολία εφαρμογής στην επεξεργασία του αντλούμενου νερού που προορίζεται για άρδευση ή βιομηχανική χρήση καθώς βελτιστοποιεί τις συγκεντρώσεις Cr(VI) και TCr της εκροής. στ) Εκτίμηση κόστους της βιολογικής επεξεργασίας για την απομάκρυνση ολικού καιεξασθενούς χρωμίου. Αξιολογήθηκε το κόστος SBR μονάδας επεξεργασίας νερού, βασιζόμενο στην παρούσα διδακτορική διατριβή, τα πειράματα της οποίας πραγματοποιήθηκαν σε πιλοτικό επίπεδο.Για μονάδα SBR πλήρους κλίμακας με δυναμικότητα επεξεργασίας 10 m3/d ρυπασμένου νερού, το συνολικό κόστος κυμαίνεται, ανάλογα με το είδος και το κόστος της προστιθέμενης πηγής οργανικού άνθρακα, μεταξύ 0,68 - 0,86 €/m3, ενώ το κόστος ενός συστήματος SBR με δυναμικότητα επεξεργασίας 100 m3/d ρυπασμένου νερού κυμαίνεται μεταξύ 0,16 - 0,34 €/m3.