Discover insights from thousands of peer-reviewed papers on microbial electrochemical systems
Elze Hesse, Daniel Padfield, Florian Bayer et al.
bioRxiv (Cold Spring Harbor Laboratory) · 2018
Abstract In an era of unprecedented environmental change, there have been increasing ecological and global public health concerns associated with exposure to anthropogenic pollutants. While there is a pressing need to remediate polluted ecosystems, human intervention strategies might unwittingly oppose selection for natural detoxification, which is primarily carried out by microbes. We test this possibility in the context of a ubiquitous chemical remediation strategy aimed at targeting toxic metal pollution: the addition of lime-containing materials. Here we show that raising pH by liming decreased the availability of toxic metals in acidic mine-degraded soils, but as a consequence selected against microbial taxa that naturally remediate soil through the production of metal-scavenging siderophores. Understanding the ecological and evolutionary consequences of human intervention on key traits is crucial for the engineering of evolutionary resilient microbial communities, having important implications for human health and biotechnology.
Turna Dutta
Journal of Survey in Fisheries Sciences · 2023
Antibiotics are compounds that are natural as well as synthetic and semi-synthetic. They show various activities that are antimicrobial in nature. This group of medicines is one of the most successful ones in their usage. In nations that are developing, antibiotics have emerged as a boon. But along with this came a curse. The antibiotics are not completely degraded within the body. The indigested portion comes out into the environment, causing the pollution of antibiotics. Already chemicals, so the usage of chemicals to get rid of such pollution is another hazard. In this review, we have discussed the removal of such antibiotic pollution from various sources like households, hospitals, agricultural fields, and other such places with the help of biological organisms, primarily microorganisms. Bioremediation is a quite common term in the present day, and one of the most effective ones. The microbes either break the chemicals into non-toxic elements or use that as their energy sources and thus, the harmful effect of the compounds gets reduced. The focus of the present review helps us to analyze antibiotics and their bioremediation.
Anna Poshtarenko
E3S Web of Conferences · 2021
The process of purification and disinfection of yeast production sewage under the action of electrodialysis has been studied. As a result of research to determine the physicochemical and microbiological sewage composition, it was found that in sewage of the 1st degree of yeast separation has the highest excess content of organic and mineral substances in terms of: Chemical oxygen consumption (COC) - 31096/500 mg О2 / dm3, suspended solids - 6800 / 300 mg / dm3, chlorides - 2147/350 mg / dm3and sulfates - 6089/400 mg / dm3. The content of organic substances, which is characterized by the Chemical oxygen consumption (COC) indicator, in sewage of general discharge, 2nd and 3rd degree of yeast separation is 41%, 50% and 74% and that is lower than in sewage of the 1st degree of yeast separation. The number of microorganisms in terms of Total microbial count (TMC) in sewage of the 1st stage of yeast separation is the largest and is 12·107 colony-forming units CFU / cm3. It is determined that the process of sewage treatment and disinfection from minerals occurs more efficiently in the cathode zone, and from organic substances and microorganisms - in the anode zone of the electrodializer at a water temperature of 293 K, current of 0.1 A and duration of exposure 20 min.
Jonghun Lim
ECS Meeting Abstracts · 2024
The escalating presence of nitrogen pollutants in urine wastewater poses a significant environmental challenge. Among the array of methods available to tackle this issue, electrochemical oxidation processes that produce reactive chlorine species (RCS) from readily available chloride ions appear as a promising solution. Despite the investigation of various anode materials, current options continue to face challenges such as low selectivity in generating reactive chlorine species (RCS), instability, and significant energy consumption. This study investigated iridium-doped tin oxide (Ir-SnO 2 ) as an efficient, stable, and energy-saving anode for RCS-mediated treatment of urine wastewater. The Ir-SnO 2 anode surpassed counterparts like IrO 2 SnO 2 and Sb-SnO 2 , showcasing its superior electrochemical performance marked by high current density, minimal charge transfer resistance, and a significant active surface area. Additionally, it attained outstanding current efficiency of 91.7% and energy efficiency of 7.79 mmol Wh -1 for generating reactive chlorine species (RCS) at 30 mA cm –2 in a diluted 0.1 M chloride solution. Density functional theory (DFT) calculations corroborated experimental findings, indicating that the introduction of Ir to SnO 2 boosts chlorine adsorption by altering the electronic structure, thereby reducing overpotential and enhancing electrocatalytic activity for chlorine evolution reactions. Ir-SnO 2 also showcased impressive effectiveness in removing ammonia nitrogen, total nitrogen, and chemical oxygen demand, achieving efficiencies of 100%, 97.8%, and 89.1%, respectively. These outcomes rivaled those attained by IrO 2 (dimensional stable anode, DSA), surpassing the performance of the boron-doped diamond (BDD) anode. Additionally, Ir-SnO 2 demonstrated the lowest energy consumption compared to benchmark DSA and BDD anodes when treating urine wastewater. In stability evaluations, the Ir-SnO 2 electrode maintained a stable anodic cell potential for 100 hours of continuous electrolysis in a 0.1 M NaCl electrolyte and remained operational over five cycles without any signs of deactivation.
Aicheng Chen
ECS Meeting Abstracts · 2024
The contamination of water with a myriad of pollutants has become an increasingly global issue in recent decades due to the widespread expansion of industrialization, which has tremendously propagated the development of large-scale industries and increased metallurgic production. Water contamination is anticipated to increase at least two-fold over the next 20 years. In this talk, a new design of an integrated electrode is introduced for the photo-electrochemical purification of water from a wastewater treatment plant. A nanoporous TiO 2 structure, directly grown on a Ti substrate by anodization, and a RuO 2 -IrO 2 -based electrode was utilized as the photocatalyst and the electrocatalyst, respectively. Photocatalytic and electrocatalytic activities were synergistically combined to achieve an integrated and highly catalytically active electrode. Our experimental results have shown that the efficient enablement of photocatalytic and electrocatalytic activities within a single integrated electrode may be achieved via the new design. The applicability of this integrated electrode system was also tested in a pilot plant at a local water treatment facility. The pilot plant testing results revealed that much more efficient removal of organic waste was accomplished using the integrated electrode system as compared to only photocatalyst or electrocatalyst. The synergistic effect of the integrated bi-functional electrodes will be discussed.
Wang Yun-Hai, Kuang Jun-Yao
Journal of Advanced Oxidation Technologies · 2013
Abstract Nickel and antimony doped tin dioxide (NATO) coated titanium electrodes were used for electrochemical treatment of oilfield produced wastewater. The effects of electrode distance, current density and electrolysis time on COD removal ratio, current efficiency, energy efficiency and BOD to COD ratio were investigated. The optimized electrode distance of 5 mm and current density of 6 mA cm
Kajal Gautam, Yatindra Kumar, Shriram Sonawane et al.
Research Square · 2024
Abstract In the present study, electrochemistry based electro-coagulation (EC) process, as a green approach is used for the decolorization of Reactive Blue 4 (RB4) from simulated wastewater. A multivariate approach, response surface methodology (RSM) and central composite design (CCD) is employed to model and optimize the EC process with five input variables (pH, initial concentration of dye, current density, operating time, and electrodes gap) to treat the wastewater containing RB4 dye. The efficiency of EC process is calculated in terms of % decolourization and chemical oxygen demand (COD) removal. A back-propagation Artificial Neural Network (BP - ANN) is also engaged to predict the % colour and % COD removal. The experimental values of %decolourization (89.3%) and COD removal (84.3%) are found very close to predicted %decolourizations (88.6% and 89.4%) and COD removal (83.4% and 84.4%) at optimized conditions [pH ( X 1 ) = 7.0; initial dye concentration ( X 2 ) = 1297.6 mgL -1 ; current density ( X 3 ) = 13.42 mAcm -2 ; contact time ( X 4 ) = 70 min and initial electrodes gap ( X 5 ) = 1.0 cm] using RSM and ANN, respectively. Techno-economic efficacy is determined in terms of an operating cost as Rs. 114.82 m -3 . The physico-chemical properties of the EC process generated sludge are analyzed using FTIR and FESEM/EDX. The comparative analysis with previous studies and future perspectives of the EC process for the removal of RB4 from wastewater is also carried out.
Rui Zhao, Wenqiang Jiang
MATEC Web of Conferences · 2018
Nicosulfuron, a kind of sulfonylurea herbicide, because of its high activity and low dosage, has been widely used in corn planting weeding. Electrochemical method was chosen to treat its simulated waste water and the influence factors such as current intensity, plate spacing and electrolyte pH on electrolysis effect were investigated. A double-coated titanium dioxide titanium plate was chosen as the anode accompanied with a single-coated titanium plate as the cathode. The results showed that the removal efficiency of nicosulfuron was the highest when the electrolyte pH=3, the plate spacing is 1.5cm and the current intensity is 0.8A. Under the optimal condition, the removal rate of nicosulfuron reached 86.6% after 7 hours electrolysis. Thus, electrochemical technology might provide a significant method to remove the synthetic organic compounds.
Georgios Bampos, Georgia Antonopoulou, Zacharias Frontistis
Processes · 2025
Global population growth, combined with the energy-intensive demands of modern lifestyles, has led to a significant increase in energy demand, accompanied by the ongoing environmental burden due to the dependence on fossil fuels [...]
Byeong-ju Kim, Hyunwoong Park
ECS Meeting Abstracts · 2020
The configuration of the hybrid electrochemical desalination system with ion exchange membranes is presented. Ion exchange memebranes (anion exchange membrane, cation exchange membrane) was alternately inserted into the system chambers and induce electrochemical desalination with transport of anions and cations toward the anode (nano-TiO2) and cathode (Bi-foam), respectively. Simultaneously, reactive chlorine species (RCS) was produced with the anodic reaction of chloride ion supplied by its transport from the desalination chamber. the produced reactive chlorine species initiated decomposition reaction of urea in anolyte. the Bi-foam cathode converted the dissolved carbon dioxide into formate, the simplest carboxylate anion with one carbon atom. the Faradaic efficiency of formate production was >95%. Additionally, small solar panel (0.5 x 3.5 cm2, 4 V) was wired to examine the solar-to-formate energy efficiency of the hybrid electrochemical desalination system. More details of experiment results will be presented and discussed.
Shan Shao, Jason Chun-Ho Lam
ECS Meeting Abstracts · 2024
Wastewater treatment is an essential process for the sustainable development of a society. The handling and degrading of different refractory and toxic organic pollutants heavily relies on conventional biodegradation. Herein, we developed an electrochemical hydrogenation method to enhance the biodegradability of organic substrates, which subsequently improves their availability to existing biological-driven denitrification, a key step that turned NO 3 - into harmless N 2 . The strategy presents an unprecedented "kill-two-birds-with-one-stone" method to simultaneously deal with excessive organic components, aka. Chemical Oxygen Demand (COD), and nitrate's presence in wastewater. The strategy was discovered by comparing the biodegradability of some organic compounds and their hydrogenation forms. It was found that the hydrogenation product was much more bioavailable. Motivated by this discovery, we synthesized a carbon-supported Ru electrode by electrodepositing Ru on activated carbon cloth (ACC), named Ru/ACC. After that, 4-chlorophenol was used to optimize the experimental conditions, and Ru/ACC electrodes successfully converted 99.9% of 4-chlorophenol with an overall yield reached 90.9%. After that, the Ru/ACC electrodes proved efficient in transferring various wastewater organic pollutants. Besides, the electrochemical hydrogenation effect on biochemical degradation and denitrification was studied. Our electrochemical treatment was significant for the electrochemical hydrogenation method to be applied to wastewater treatment.
Sudeep Popat, Ao Xie
ECS Meeting Abstracts · 2019
Microbial electrochemical cells (MECs) are devices in which anaerobic treatment of wastewater can occur in the anode chamber, where anode-respiring bacteria oxidize fatty acids produced from fermentation of waste organics to produce an electrical current. MECs are best suited for high-strength industrial wastewater streams, rather than dilute domestic wastewater streams. We have evaluated the possibility of using MECs for treatment of rendering wastewater, which contains high concentrations of fats (and often also proteins). We first conducted biochemical methane potential (BMP) tests to determine the anaerobic biodegradability of rendering wastewater (COD concentrations of ~7000 mg/L), and to determine optimum organic loading rate (relative to biomass concentration). Using the optimum conditions, we then conducted batch MEC studies to determine maximum current densities that could be produced, as well as the COD removal and conversion efficiencies. Maximum current densities of up to 2.5 A/m 2 were produced, while COD conversion to electrical current ranged between 70-80%. Our studies indicate that MECs could become suitable for treatment of high fat content wastewater streams.
Ya Feng Li, Yuan Han Duan
Advanced Materials Research · 2011
The simulant wastewater containing high concentration ammonia-nitrogen was treated by electro-chemical oxidation process in intermittent experiment. The influences of different factors including plate distance,current density, chloride ion concentration and initial pH on ammonia-nitrogen and total nitrogen removal were studied.According to the results of the test, the optimal reaction condition was determined as follows: plate distance was 40mm，current density was 90mA/cm2，chloride ion concentration was 8000mg/L, initial pH was 10。Under the above condition,the total nitrogen concentration reduced from 2000 mg/Lto 280mg/L when the reaction time was 8h, and the removal rate reached 86%. As we can see, the effect of the treatment is quite positive.
Feng Tao Chen, San Chuan Yu, Xing Qiong Mu et al.
Advanced Materials Research · 2012
The Ti/SnO 2 -Sb 2 O 3 /PbO 2 electrodes were prepared by thermal decomposition method and its application in the electrochemical degradation of a heteropolyaromatic dye, Methylene blue (MB), contained in simulated dye wastewater were investigated under mild conditions. The effects of pH, current density and electrolysis time on de-colorization efficiency were also studied. Chemical oxygen demand (COD) was selected as another parameter to evaluate the efficiency of this degradation method on treatment of MB wastewater. The results revealed that when initial pH was 6.0, current density was 50 mA·cm 2 , electrolysis time was 60 min, Na 2 SO 4 as electrolyte and its concentration was 3.0 g·dm 3 , the de-colorization and COD removal efficiency can reach 89.9% and 71.7%, respectively.
Dzmitry Malevich, Sreeman Mypati, Sreemoyee Ghosh Ray et al.
Research Square · 2024
Abstract Cathode materials based on carbon substrates are of high interest for the electrochemical generation of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) for wastewater treatment because of their low cost, chemical stability and high selectivity. However, the H 2 O 2 selectivity of carbon materials can be significantly reduced in presence of surfactants, which are frequent contaminants in wastewater. Therefore, the development of surfactant-tolerant cathode materials is highly important. In this paper, composite electrodes comprising of polytetrafluoroethylene and carbon black on a carbon felt substrate were prepared. The effect of sodium dodecyl sulphate on the electrode activity was investigated. It was found that the electrodes prepared with high bulk density carbon black featured a high H 2 O 2 Faradaic efficiency of 95% in surfactant-free solutions. These electrodes also showed significant surfactant tolerance having a 70% Faradaic efficiency in the presence of 1mM sodium dodecyl sulphate. The enhanced surfactant tolerance is attributed to the hydrophobic properties of the electrode surface.
Jiachao Yao, Sini Lv, Zeyu Wang et al.
Research Square · 2021
Abstract Electro-oxidation is a promising technology for wastewater treatment with bio-refractory organic and nitrogen pollutants; however, the high energy-demanding hinders its wide application. In this study, a novel method by regulating the significant parameter during electro-oxidation process timely for actual dyeing wastewater treatment with energy saving was studied. Operating factors (i.e., flow rate, initial pH value, electrode distance, and current density) were investigated for chemical oxygen demand (COD) and ammonia removal, and results indicated that current density was the key factor which obviously influenced the electrochemical performance. Indirect oxidation by active chlorine was then confirmed as the main reaction pathway for pollutants oxidation, and the relationship between the current density and the generation of active chlorine was established, suggesting that a large part of the generated active chlorine was not utilized effectively. Subsequently, a novel method by variation of current density timely based on the reaction mechanism was proposed; results indicated that, with similar pollutant removal efficiency, energy consumption could be reduced from 31.6 kWh/m 3 to 20.5 kWh/m 3 . Additionally, the novel system was further optimized by Box-Behnken design: COD and ammonia removal efficiencies could reach 71.8% and 100% respectively, and energy-demanding could be reduced by 45.6%.
Maasoomeh Jafari, Gerardine G. Botte
ECS Meeting Abstracts · 2020
Solid waste mismanagement causes environmental contamination. Sewage sludge is the byproduct of the wastewater treatment process and contains pathogenic organisms (e.g Salmonella spp., Escherichia coli, etc.). Anaerobic digestion is widely used for sewage sludge treatment. However, the major drawback of this process is the sluggish rate of sludge biodegradation. Therefore, the retention time in the typical digester is long (between 20-30 days) which consequently results in substantial energy consumption. On the other hand, approximately 50- 60 % of the operational cost in the wastewater treatment plant is dedicated to the treatment and disposal of waste. Hence, it is essential to develop a treatment method to decrease energy consumption. Alkaline treatment is an attractive process for sludge destruction and improvement in the sludge biodegradability. Furthermore, electrochemical oxidation of the organic materials is an environmentally friendly alternative pathway to disintegrate the sludge microbial cells and eliminate the pathogen bacteria from biosolid for safe disposal. Therefore, the combined alkaline electrochemical technique could expedite waste degradation by using the synergetic functions and increase efficiency of the treatment. To overcome the challenges related to the conventional treatment method, our research group has developed a novel, energy-efficient mixed alkali-electrochemical sludge treatment in a membraneless electrochemical system at room temperature and low applied potential. In this study, the bimetallic (platinum-iridium) nanocatalyst was synthesized with modified polyol method. The thermal behavior of the raw sludge and the residue biosolid after electrolysis was evaluated by using thermogravimetric analysis (TGA). To determine the effect of electrolysis on the chemical structure of biosolid, the Fourier-transform infrared spectroscopy-Attenuated Total Reflection (FTIR-ATR) and elemental analysis techniques were applied. Ammonia was produced as a byproduct of the waste treatment which can be converted to hydrogen through electrolysis. A considerable amount of solid reduction was achieved by implementing a short electrolysis treatment which diminished the waste transportation and disposal cost to a large extend. Furthermore, the energy consumption was significantly lower than the previous research studies. In this presentation, results from this study including (i) the electrochemical performance of catalyst for sewage sludge treatment (ii) pathogen disinfection and (iii) biosolid characterization will be provided.
Gisela C. Régis, Edério D. Bidoia
Holos Environment · 2006
The treatment of chemical industry wastewater by an electrochemical method was investigated using steel and TiRuO2 electrodes. Visible-UV spectrophotometric analyses have been performed in samples electrolyzed at 0, 10, 20, 30 and 40 min to determine the molecular changes in the wastewater. Although the steel electrode caused changes in molecules present in the raw effluent, the TiRuO2 electrode showed to promote more significant changes. It has been observed an increase in the cellular viability after electrolysis; this could be a decrease in the biological toxicity after the treatment. The electrolytic process is an efficient method to modify persistent molecules, normally, found in wastewater of rubber chemical industry and, turn then biocompatible to the environment.
Mohammadreza Nazemi
The Electrochemical Society Interface · 2022
This project will address the critical bottleneck in electrochemical redox processes (i.e., decreasing cost and improving efficiency) for wastewater treatment and resource recovery by developing cost-effective and selective electrode materials that can treat or valorize ROC for safe discharge or reuse. The overarching goal is to develop an electrochemical prototype to degrade a wide range of organic contaminants, minimize electrodes’ fouling and scaling, and recover valuable resources (e.g., metals and salts), contributing to achieving “pipe parity” and “circular economy” using small-scale and modular electrochemical water treatment systems.
Lingjie Xu
Theoretical and Natural Science · 2025
Electrochemical technology has demonstrated significant advantages in water pollution treatment by virtue of its efficient redox reaction and flexible control characteristics. This paper systematically discusses the principles and applications of electrocoagulation (EC), electrooxidation (EO) and electro-flotation (EF): electro-flocculation generates hydroxide colloid adsorption of pollutants through the dissolution of the metal anode, and the removal rate of heavy metals (Pb, Cd, Cu) reaches more than 98%; electro-oxidation degrades difficult-to-biodegrade organics with the help of hydroxyl radicals (-OH), and the removal of dyestuff wastewater can reach over 98%. Electro-oxidation with the help of hydroxyl radicals (-OH) to degrade difficult-to-degrade organic matter, the COD and color removal rate of dyestuff wastewater is more than 80%; Electro-flotation using micro-bubbles to achieve high-efficiency separation of emulsified oils and colloidal particles. The synergistic process (e.g., EC-EF) can remove heavy metals and organics simultaneously, and the reduction rate of chromaticity and COD of printing and dyeing wastewater reaches 92.9% and 88.9%, respectively. However, the high cost of electrodes, high energy consumption and scale-up bottlenecks constrain its development. In the future, we need to focus on the development of low-cost electrode materials, multi-technology coupling (e.g., electrochemical-photocatalytic) and intelligent control, in order to promote electrochemical technology in the direction of zero industrial wastewater discharge and resource transformation, and help the sustainable management of water pollution.
Yasir AlJaberi Forat
Azerbaijan Chemical Journal · 2025
Population demands are leading to an increase in the dumping of wastewater from domestic and industrial activities worldwide. Electrochemical oxidation (EO) has received a lot of attention in wastewater treatment as one of the treatment technologies. The purpose of this paper is to provide readers with valuable information about EO definitions, mechanisms, operational conditions, and statistical analysis based on recent articles. According to the review, EO is more effective in removing organic contaminants than other methods. This depends on whether additional chemicals are used and the type of anode materials. The material of the anode, contact time, pH, and current density are the most crucial parameters of EO technology. The paper demonstrates that selecting the appropriate anode electrode was a significant challenge in treating wastewater through electro-oxidation. According to the cited papers, EO has been used by more than 85% of them alone, while the remaining 10% have utilized it in combination with other conventional and development methods for wastewater treatment. Compared to other materials, titanium was the most commonly used material for anode manufacturing in EO technology. Electrochemical oxidation technology is a reliable method to eliminate a diverse range of pollutants from various wastewater types
Laura M. González-Méndez, Silvia Y. Martínez-Amador, Leopoldo J. Ríos-González et al.
Processes · 2025
Anthropogenic activities, such as agricultural, industrial, and domestic, generate wastewater, leading to environmental concerns. Wastewater constituents (organic matter, pathogens, pharmaceuticals, heavy metals, and nutrients) have a negative impact if not treated, harming ecosystems and human health. Phytoremediator plants are a good option for domestic wastewater treatment since they help remove pollutants through their physiological activities, which are highly related to anatomical adaptations due to their growth in humid habitats. Macrophytes are a useful tool when coupled with a bioelectrochemical constructed wetland and MFC (CW-MFC), which can enhance the removal efficiency of organic matter present in wastewater and promote higher bioelectricity due to the root activity of plants. This review aims to compare different aquatic macrophyte types in wastewater treatment efficiency and provide useful information for plant selection.
G. Lettinga
Water Science and Technology · 1996
The actual and potential benefits of anaerobic wastewater treatment when implemented at the core of a sustainable and non-vulnerable environmental protection programme are described. The paper focuses on the anaerobic sludge bed (and in particular the expanded granular sludge bed (EGSB)) reactor concept. Start-up of these systems is shown to be rapid, within a few days with granular seed sludges, and they may be applied across a wide range of conditions and strengths of wastewater. EGSB systems are particularly suited to low temperatures (10°C) and very low strengths (<<1000mg/1) and for the treatment of recalcitrant or toxic substrates.
Olga A. Ruzhitskaya, Elena S. Gogina
Advanced Materials Research · 2014
The paper presents the results of research studies to determine the degree of influence of reinforced material on the purification process wastewater from phosphates and organic contaminants. The paper presents the results of mathematical description of the laws of the biological purification. Obtained activation coefficient. Shows the effect of reinforced material for phosphate removal from wastewater. Shows the effect of reinforced material on sludge dose and sludge index.
Christos S. Akratos, Athanasia G. Tekerlekopoulou, Dimitrios V. Vayenas
Water · 2021
Food processing consumes high volumes of water, making agro-industries the third biggest industrial user of water after oil refineries, primary metals and chemicals industries [...]
Damodhar Ghime, Prabir Ghosh
Biological Treatment of Industrial Wastewater · 2021
The treatment of industrial effluent is significant for the protection of both ecology and human health. Various technologies have been developed for the treatment of industrial effluent. Among these technologies, the biological treatment process is one of them. Despite their longer operating times, biological therapies are cost-effective compared to other treatment methods. Thus, special attention should be given to the design of different advanced bioreactors, the shortcomings of those bioprocesses, and their performance characteristics. Advanced bioreactors include models such as the sequencing batch biofilm reactor, stirred tank bioreactor to packed bed, moving bed, fluidized, semi-fluidized and inverse fluidized bed, sludge bed and downflow fixed bed/film bioreactors. Sometimes, membrane-based technology can also be used with these designs. This chapter discusses the different systems of advanced bioreactors, mainly sequencing batch, aerobic and anaerobic stirred tank, fixed and fluidized bed reactors. The discussion has also been extended to the use of the membrane technology with bioreactor designs and all possible integrated approaches for improving the process efficiency.
Robert Mitzakov
· 2021
Zinc, nickel and propylene glycol methyl ether were simultaneously removed from simulated wastewater in a column containing a counter-current packed bed and an electrochemical cell. Rectangular porous aluminum foam cathode and porous stainless steel anode were used in a plate-in-tank configuration. During combined biological and electrochemical treatment the wastewater flux was 0.00183 and 0.00915 m³.m̈².s̈¹ at a constant volumetric air flux of 0.0518 m³.m̈².s̈¹. Over a 72 hour treatment period the BOD5 was reduced by 32% and 55% for each volumetric liquid flux, respectively; zinc was reduced by 98% for both fluxes, and nickel was reduced by 95% and 82%, respectively. For sole electrochemical treatment of 48 hours, laminar and turbulent flow conditions were studied. Operating in the laminar flow region of 0.00183 and 0.00915 m³.m̈².s̈¹; zinc was reduced by 95% for both fluxes; nickel was reduced by 80% and 60%, respectively. For the turbulent region in the electrochemical cell, the volumetric liquid fluxes were 0.0137, 0.0229, 0.0321 and 0.0366 m³.m̈².s̈¹. Per cent reduction of both zinc and nickel in this region was less than that encountered in laminar flow. For all the fluxes in the turbulent region zinc was reduced by 82%; nickel was reduced by 55% at a flux of 0.0137 m³.m̈².s̈¹ and 60% at a flux of 0.0366 m³.m̈².s̈¹. Increasing electrode surface area as a means of improving heavy metal reduction by using rectangular porous material in a plate-in-tank configuration is not a viable option at higher volumetric liquid fluxes.
Ambreen Ashar, Sadia Noor, Zeeshan Ahmad Bhutta
Biological Treatment of Industrial Wastewater · 2021
In recent years, the application of the process of heterogeneous photocatalytic water purification has gained great attention due to its effectiveness for degradation and mineralization of recalcitrant organic compounds as well as the possibility of utilizing the solar UV and visible-light spectrum. Heterogeneous photocatalysis, supported by semiconductors and solar energy, is considered a promising process to solve the global crisis of energy supply and to alleviate environmental pollution. In recent years, numerous semiconducting materials have been investigated to explore their photocatalytic potentials. This era of scientific revolution demands the fabrication of efficient nanomaterials with the utmost capability of resolving environmental issues to offset increasingly damaging anthropogenic effects. These nanomaterials basically have non-xenobiotic attributes and they are fabricated following particular zero-waste and green methods. Advanced oxidation processes using metal oxide-based materials have played a vital role in the complete mineralization of recalcitrant pollutants from industrial wastewater.
Pischa Wanaratna
· 2002
In the last few years, biodegradable dissolved organic carbon (BDOC) methods have been studied and used for characterizing the quality of secondary treated wastewater from activated sludge (AS) process. However, BDOC removal efficiency through AS process treating actual wastewater has not been investigated. Furthermore, BDOC has never been applied to processes other than AS. In this study, two bench-scale AS and trickling filter (TF) processes and a full-scale rotating biological contactor (RBC) process experiments were conducted using actual primary wastewater to determine the effect of SRT and HLR on BDOC in the effluents. For the bench scale experiments, BDOC removal at different SRTs and HLRs was also determined. Effluent BDOCs were lower at higher SRTs and lower HLRs for the AS and TF processes, respectively. An excellent relationship between BDOC removal and SRT was obtained from the AS experiment. Secondary wastewater effluent from the full-scale RBC contained relatively high BDOC (2.8 and 1.5 times of BDOC in the effluents of AS and TF, respectively) of which 30 to 80% was biodegradable during the BDOC test. BDOC correlated well with dissolved organic carbon (DOC) and soluble biochemical oxygen demand at 5 days (SBOD5). However, a poor relationship was observed between BDOC and ultraviolet absorbance at 254 nm (UV254) of RBC effluent. SBOD5 and BDOC were analyzed simultaneously to compare the precision between the two methods. Results show that the BDOC method is substantially more precise than the SBOD5 method
Komal Agrawal, Maulin P. Shah, Pradeep Verma
Biological Treatment of Industrial Wastewater · 2021
Bioreactors are designed spaces where biological reactions take place and have gained interest amongst biological researchers for their ability to effectively remove pollutants from various wastewaters. In addition to the biological aspect, engineering or designing aspects are also associated with bioreactors and this has been a topic of discussion among bioengineers due to the challenges associated with their operation. The advancement of technology and the ever-increasing application of bioreactors has amplified research associated with the design and operation of bioreactors. This in turn has opened the door to extending the application of bioreactors to various areas which were previously unknown. A bioreactor is an engineered space that provides a suitable/optimal biological environment for all the required reactions to occur adequately. Thus, the present chapter discusses types and modelling of bioreactors, and scale-up and scale-down of bioreactor applications. Limitations in the commercialization of bioreactors are also addressed. Lastly, future aspects are elaborated in detail considering the recent trends and the present scenario.
Alexander Aivasidis
Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry · 2011
Abstract The article contains sections titled: 1. Introduction 2. Basic Principles 3. Thermodynamics 4. Kinetics 5. Mass and Heat Transfer 6. Reactor Design 7. Biomass Retention/Recycling 7.1. The Anaerobic Contact Process 7.2. Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) Reactors 7.3. Fixed‐Bed Reactors (Anaerobic Filters) 7.4. Fluidized‐Bed Reactors 7.5. Fixed‐Bed Loop Reactors 7.6. Engineering Considerations 8. Control
Yinghui Yang
· 2021
In order to meet the more stringent environmental regulations, the adaptive and optimal control strategies should be investigated for the biological nitrogen removal (BNR) processes in wastewater treatment plants. Because of the complex nature of the microbial metabolism involved, the conventional mechanistic models for nitrogen removal are difficult to formulate and the existing ones are still uncertain to some extent. Alternatively, the machine learning methods have been investigated as black-box modelling techniques. A new approach, Support Vector Machine (SVM) was proposed to be used to model the biological nitrogen removal processes in this thesis. Specifically, LS-SVM, a simplified formulation of SVM, was applied to predict the concentration of nitrate & nitrite (NO). The simulation results indicate that the proposed method has better generalization performance in comparison with generalized regression neural network, especially under weather conditions that are quite different from the training weather conditions.
H. Fr. Schröder
Water Practice and Technology · 2006
A conventional biological wastewater treatment plant (BWWTP) and a membrane bio-reactor (MBR) were operated to treat municipal wastewater. The endocrine disrupting compounds (EDCs), 4-nonylphenol (4-NP) and bisphenol A (BPA; 2,2-bis-(4-hydroxyphenyl)-propane), were spiked into the feed. Additionally, the effluents were treated with ozone (O3). The elimination efficiencies of both treatment techniques and the advanced effluent treatment applying ozone were balanced over a three-week testing period by monitoring 4-NP and BPA concentrations in the feed, all effluents and excess sewage sludge. Reduction of Chemical Oxygen Demand (COD) was observed with 95 ± 2%. Substance specific analyses were performed by gas chromatography, coupled with mass spectrometry (GC-MS). Aqueous samples and sludge extracts after pressurised liquid extraction (PLE) were examined after derivatization using acetic anhydride. The spiking levels into the feed were adjusted to reach concentrations of 51.2 ± 10.1 µg/L (4-NP) and 50.7 ± 8.2 µg/L (BPA), while the effluent samples were fortified prior to ozone treatment by adding 48 µg/L or 49 µg/L of 4-NP and BPA. The elimination achieved without applying ozone were > 98 or 97.8 % for 4-NP and BPA in MBR treatment and > 98 and 91.6 % under conventional treatment. Balances proved biodegradation as the superior elimination mechanism for 4-NP and BPA in both treatment processes
Omar M. Waheeb, Mohanad Mahmood Salman, Rand Qusay Kadhim
Wastewater Treatment · 2022
Daura refinery, with a capacity of 140,000 barrel per stream day as a refining capacity, wastewater discharged from refining and treatment processing units, polluted water as foul water, drainages, oil spills, blowdown of boilers and cooling towers, and many other polluted water sources, aims to remove pollutants and reject clean water to the river; wastewater treatment system takes place in this treatment process. Wastewater treatment system suffers from many problems and specifically biological stage; at this stage, activated sludge with bacteria, should be supplied with oxygen, aeration system done by surface aerators with four surface fans; these fans suffer from high vibration, loss support, and in consequence, lack in oxygen supply to aerobic bacteria less than 4 ppm. The nonporous aerator is suggested as an oxygen source for the biological pool. The pilot plant builds the aim to study the ability to apply the new aeration system at the biological pool, pilot plant build with 1 cubic meter capacity tank and continuous overflow of wastewater of 10 liters.min−1, air injected with the pressure of (0.5–0.75) bar(g), and airflow of (7.6–9.7) liter.min−1 respectively. Oxygen concentration was recorded as (3.4–6.0) ppm; in terms of consumption power, changing the aeration system reduces it to less than 20%.
Δημήτρης Ανδρεαδάκης
· 2022
1. Εισαγωγή: Η αποτελεσματική επεξεργασία των αστικών λυμάτων πριν την διάθεσή τους στους υδάτινους αποδέκτες αποτελεί απαραίτητη προϋπόθεση για την διασφάλιση της καλής ποιότητας των υδάτων. Η βιολογική επεξεργασία στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων (ΕΕΛ) στοχεύει πρωτίστως στην απομάκρυνση του βιοαποδομήσιμου οργανικού φορτίου των λυμάτων, του οποίου η διάθεση μπορεί να προκαλέσει προβλήματα αποξυγόνωσης στον αποδέκτη, αλλά και στην απομάκρυνση θρεπτικών (αζώτου και φωσφόρου), των οποίων η ανεξέλεγκτη διάθεση μπορεί να οδηγήσει σε φαινόμενα ευτροφισμού. Η βιολογική απομάκρυνση του αζώτου επιτυγχάνεται κατά κανόνα μέσω των διεργασιών νιτροποίησης και απονιτροποίησης. Κατά την νιτροποίηση, μια κατηγορία αυτοτροφικών μικροοργανισμών, γνωστή ως AOB (Ammonium Oxidizing Bacteria), οξειδώνει αρχικά το αμμωνιακό άζωτο, το οποίο αποτελεί την σημαντικότερη μορφή αζώτου στα ανεπεξέργαστα λύματα, προς νιτρώδες άζωτο (νιτρωδοποίηση). Στη συνέχεια, μια δεύτερη κατηγορία αυτότροφων βακτηρίων, γνωστή ως NOB (Nitrite Oxidizing Bacteria), οξειδώνει το παραγόμενο νιτρώδες άζωτο προς νιτρικό άζωτο (νιτρικοποίηση). Οι δύο αυτές επιμέρους διεργασίες συνθέτουν την διαδικασία της νιτροποίησης, η οποία απαιτεί την παροχή οξυγόνου. Στην συνέχεια, απουσία οξυγόνου, ετεροτροφικοί-οργανοτροφικοί μικροοργανισμοί αξιοποιούν τα νιτρικά ως αποδέκτη ηλεκτρονίων για την οξείδωση και απομάκρυνση του οργανικού φορτίου, με την παράλληλη αναγωγή και απομάκρυνση του αζώτου (απονιτροποίηση).Η βιολογική απομάκρυνση του φωσφόρου επιτυγχάνεται με την επιλογή μιας συγκεκριμένης κατηγορίας μικροοργανισμών, τα οποία είναι γνωστά ως πολυφωσφορικά βακτήρια (Polyphosphate Accumulating Organisms – PAOs). Όπως υποδηλώνει η ονομασία τους, τα πολυφωσφορικά βακτήρια συνθέτουν υψηλές ποσότητες ενδοκυτταρικά αποθηκευμένων πολυφωσφορικών αλυσίδων, τις οποίες υδρολύουν κάτω από αναερόβιες συνθήκες για την παραγωγή ενέργειας. Η ενέργεια αυτή αξιοποιείται για την συντήρηση των κυττάρων, αλλά και για την δέσμευση διαλυτών οργανικών ενώσεων από τα λύματα και την αποθήκευσή τους ενδοκυτταρικά ως πολυμερή. Στην συνέχεια, παρουσία αποδέκτη ηλεκτρονίων, τα πολυφωσφορικά διασπούν τα αποθηκευμένα μακρομόρια και χρησιμοποιούν την παραγόμενη ενέργεια για κυτταρική σύνθεση και την αναπλήρωση των πολυφωσφορικών τους αλυσίδων, απομακρύνοντας παράλληλα φώσφορο από τα λύματα. Έτσι, με την διάταξη μιας αναερόβιας δεξαμενής ανάντη των βιολογικών δεξαμενών, δίνεται προτεραιότητα στη δέσμευση του διαλυτού οργανικού άνθρακα από τα PAOs, με αποτέλεσμα τον εμπλουτισμό της ιλύος με αυτά. Η βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου επιτυγχάνεται τελικά με την απομάκρυνση της περίσσειας εμπλουτισμένης ιλύος. Η τελική διάθεση της περίσσειας ιλύος προϋποθέτει μια σειρά από επιμέρους επεξεργασίες με στόχο την σταθεροποίησή της και την μείωση του υδάτινου περιεχόμενού της. Κατά τα έργα της ιλύος, παράγονται στραγγίδια τα οποία χαρακτηρίζονται από υψηλές συγκεντρώσεις αζώτου και φωσφόρου, καθώς επίσης και από έναν σχετικά χαμηλό λόγο άνθρακα προς άζωτο (C:N). Τυπικά, αυτά τα ρεύματα ανακυκλοφορούνται στην κύρια ροή επεξεργασίας, αυξάνοντας την φόρτιση της βιολογικής βαθμίδας. Τα τελευταία χρόνια, η χωριστή επεξεργασία αυτών των ρευμάτων πριν την ανακυκλοφορία τους μελετάται ευρέως ως μία πολύ υποσχόμενη πρακτική. Λόγω της υψηλής συγκέντρωσης αμμωνιακού αζώτου που χαρακτηρίζει τα στραγγίδια αφυδάτωσης (ως αποτέλεσμα της αναερόβιας χώνευσης) καθώς και του υψηλού pH), τα στραγγίδια περιέχουν υψηλές συγκεντρώσεις ελεύθερης αμμωνίας (Free Ammonia – FA), η οποία είναι γνωστή για την αναχαιτιστική της επίδραση σε μια σειρά από μικροβιακές δραστηριότητες. Ανάμεσα στους μικροοργανισμούς που αναχαιτίζονται από την ελεύθερη αμμωνία είναι και οι υπεύθυνοι για την διεργασία της νιτροποίησης. Ωστόσο, η ελεύθερη αμμωνία αναχαιτίζει τα NOB σε πολύ μεγαλύτερο βαθμό από τα AOB, καθιστώντας εφικτή την παράκαμψη της νιτρικοποίησης. Υπό ανοξικές συνθήκες, τα νιτρώδη μπορούν να αναχθούν με την ίδια ευκολία από τους ετεροτροφικούς μικροοργανισμούς και μάλιστα με μικρότερη κατανάλωση οργανικού άνθρακα. Παράλληλα, με την ακύρωση του δεύτερου σταδίου της νιτροποίησης, η ζήτηση οξυγόνου μειώνεται σημαντικά (περίπου κατά 25%), μειώνοντας την απαίτηση σε αερισμό και κατά προέκταση το κόστος της επεξεργασίας.Παρόλο που η απονιτρωδοποίηση απαιτεί λιγότερο οργανικό άνθρακα συγκριτικά με την πλήρη απονιτροποίηση (περίπου κατά 40%), ο χαμηλός λόγος C:N που χαρακτηρίζει τα στραγγίδια, καθώς και η χαμηλή περιεκτικότητά τους σε εύκολα βιοδιασπάσιμο οργανικό άνθρακα, καθιστά απαραίτητη την προσθήκη μιας εξωτερικής πηγής διαλυτού οργανικού άνθρακα. Το γεγονός αυτό σε συνδυασμό με την απαίτηση για απομάκρυνση της σημαντικής ποσότητας φωσφόρου των στραγγιδίων, καθιστούν την εφαρμογή της βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου παράλληλα με την απομάκρυνση του αζώτου μέσω νιτρωδοποίησης/απονιτρωδοποίησης ως θεμιτή επιλογή, καθώς άζωτο και φώσφορος μπορούν να απομακρυνθούν χρησιμοποιώντας την ίδια πηγή οργανικού άνθρακα. Ωστόσο, οι συνθήκες που χαρακτηρίζουν τα συστήματα νιτρωδοποίησης /απονιτρωδοποίησης, ενδέχεται να μην επιτρέπουν την βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου, καθώς υπάρχουν αναφορές ότι τα νιτρώδη αναχαιτίζουν τις δραστηριότητες των πολυφωσφορικών βακτηρίων. Συγκεκριμένα, το ελεύθερο νιτρώδες οξύ (Free Nitrous Acid – FNA), το οποίο αποτελεί την πρωτονιωμένη μορφή του νιτρώδους αζώτου, η παρουσία του οποίου ευνοείται σε χαμηλά pH, αναχαιτίζει σε σημαντικό βαθμό τις λειτουργίες των PAOs (Zhou et al., 2007). Ο αναφερόμενος βαθμός στον οποίο αναχαιτίζονται τα PAOs ποικίλει στην βιβλιογραφία και μπορεί να διαφέρει ως προς τον εγκλιματισμό στο FNA καθώς και την οδό που επηρεάζεται (αερόβια/ανοξική). Σε όλες τις περιπτώσεις, η συσσώρευση νιτρωδών που αναμένετται με βάση τις συγκεντρώσεις των αμμωνιακών που απαιτούνται για την αναχαίτιση των NOB, πιθανότατα θα αναστέλλουν σοβαρά τη δραστηριότητα των PAOs και ενδέχεται να απαγορεύουν την εφαρμογή της βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε αυτές τις συνθήκες. Επιπροσθέτως, υπάρχουν πρόσφατες αναφορές ότι το FA επίσης αναχαιτίζει τα PAOs (Yang et al., 2018), αν και η σχετική έρευνα είναι πολύ περιορισμένη μέχρι στιγμής. Ενώ το FA ευνοείται σε υψηλό pH, το ποσοστό των νιτρωδών στην μορφή του FNA αυξάνεται αντίθετα με το pH. Κατά τη νιτρωδοποίηση, η μετατροπή του αμμωνιακού αζώτου σε νιτρώδες άζωτο συνοδεύεται με μια βιοχημική πτώση του pH, αυξάνοντας έτσι σημαντικά την συγκέντρωση του FNA κατά την διάρκεια της διαδικασίας. Οι συνθήκες για τα PAOs βελτιώνονται κατά την απονιτρωδοποίηση καθώς απομακρύνονται νιτρώδη, ενώ υπάρχει βιοχημική αύξηση του pH. Ωστόσο, η συνδυασμένη επίδραση του FA και του FNA στα PAOs κατά την διάρκεια της αερόβιας φάσης μπορεί να μην επιτρέπει τη βιωσιμότητά τους σε ένα τέτοιο σύστημα. Η κατάσταση για τα PAOs γίνεται ακόμη πιο ζοφερή αν αναλογιστεί κανείς τον ανταγωνισμό τους με μια άλλη ανταγωνιστική μικροβιακή κοινότητα, γνωστή ως GAOs (Glycogen Accumulating Organisms). Ομοίως με τα PAOs, τα GAOs μπορούν να προσλαμβάνουν διαλυτό άνθρακα υπό αναερόβιες συνθήκες χωρίς να συμβάλλουν στην απομάκρυνση του φωσφόρου, καθώς η απαιτούμενη ενέργεια στην περίπτωσή τους παρέχεται μέσω της γλυκόλυσης. Επομένως, σε συνθήκες υψηλών συσσωρεύσεων αμμωνιακού και νιτρώδους αζώτου, η επίδραση των FNA και FA στα GAOs είναι επίσης σημαντική, καθώς μια υψηλότερη ανοχή σε αυτές τις ουσίες θα είχε ως αποτέλεσμα την πιθανή επικράτησή τους έναντι των PAOs και την αποτυχία του βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου.Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, είναι σαφές ότι η επιτυχής εφαρμογή της βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε συστήματα νιτρωδοποίησης/απονιτρωδοποίησης, για την αποτελεσματική επεξεργασία στραγγιδίων, αντιμετωπίζει σημαντικές προκλήσεις. Η φόρτιση αζώτου και το pH είναι παράμετροι ιδιαίτερης σημασίας, με τις συγκεντρώσεις των FNA και FA να επηρεάζουν όχι μόνο την επιθυμητή αναχαίτιση των NOB, αλλά και τον ανταγωνισμό μεταξύ των PAOs και GAOs κατά τις διεργασίες νιτρωδοποίησης και απονιτρωδοποίησης σε διαφορετικό βαθμό, με ενδεχόμενες αρνητικές συνέπειες στην απόδοση. ή ακόμη και την βιωσιμότητα της βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε αυτές τις συνθήκες. 2. Ερευνητικοί στόχοιΜε βάση την ανάλυση της διεθνούς βιβλιογραφίας και τα ερευνητικά κενά που επισημάνθηκαν σε αυτήν καθορίσθηκε το αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής το οποίο είναι η διερεύνηση της δυνατότητας επίτευξης βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε συστήματα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων με χαμηλό λόγο άνθρακα προς άζωτο μέσω νιτρωδοποίησης – απονιτρωδοποίησης. Προκειμένου να επιτευχθεί ο στόχος αυτός κρίθηκε σκόπιμο να απαντηθούν μία σειρά από ερευνητικά ερωτήματα μέσω των ακόλουθων διερευνήσεων: a) διερεύνηση της αναχαιτιστικής δράσης του ελεύθερου νιτρώδους οξέος και της ελεύθερης αμμωνίας στην δραστηριότητα των πολυφωσφορικών βακτηρίων σε αερόβιες και ανοξικές συνθήκες καθώς και η ανάπτυξη των σχετικών μαθηματικών μοντέλων αναχαίτισης, b) πειραματική και μαθηματική προσομοίωση της συνδυασμένης επίδρασης του ελεύθερου νιτρώδους οξέος και της ελεύθερης αμμωνίας στη δράση των πολυφωσφορικών βακτηρίων, c) διερεύνηση της αναχαιτιστικής δράσης του ελεύθερου νιτρώδους οξέος και της ελεύθερης αμμωνίας στην δραστηριότητα των βακτηρίων συσσώρευσης γλυκογόνου καθώς και η ανάπτυξη των σχετικών μαθηματικών μοντέλων αναχαίτισης, d) διερεύνηση της επίδρασης του είδους του οργανικού υποστρώματος στον ανταγωνισμό των πολυφωσφορικών βακτηριών και των βακτηρίων συσσώρευσης γλυκογόνου σε συστήματα νιτρωδοποίησης – απονιτρωδοποίησης, e) ανάπτυξη στρατηγικών βελτιστοποίησης της βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε συστήματα νιτρωδοποίησης – αποιτρωδοποίησης. 3. Διερεύνηση της επίδρασης των νιτρωδών και της ελεύθερης αμμωνίας στην αερόβια και ανοξική δράση των πολυφωσφορικών βακτηρίωνΗ διερεύνηση της επίδρασης των νιτρωδών στην ταχύτητα πρόσληψης φωσφόρου σε αερόβιες συνθήκες πραγματοποιήθηκε μέσω πειραμάτων batch σε εγκλιματισμένη και μη-εγκλιματισμένη βιομάζα η οποία καλλιεργήθηκε σε εργαστηριακό αντιδραστήρα SBR. Σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα διαπιστώθηκε ότι με τη μείωση του pH του ανάμικτου υγρού αυξάνεται η αναχαίτιση της διαδικασίας για τις ίδιες συγκεντρώσεις νιτρωδών (Σχήμα 1). Κατά συνέπεια και λαμβάνοντας υπόψη τη χημεία του συστήματος των νιτρωδών διαπιστώνεται ότι η βασική αναχαιτιστική ουσία είναι το ελεύθερο νιτρώδες οξύ (FNA). Όπως φαίνεται αναλυτικά στο Σχήμα 2, μία συγκέντρωση ελεύθερου νιτρώδους οξέος της τάξης των 1,5 μg Ν/L οδηγεί σε 50% αναχαίτιση του ρυθμού πρόσληψης φωφόρου σε αερόβιες συνθήκες, ενώ πλήρης αναχαίτιση καταγράφεται για συγκεντρώσεις ελεύθερου νιτρώδους οξέος της τάξης των 13 μg Ν/L. Σύμφωνα με αποτελέσματα στοχευμένων εργαστηριακών πειραμάτων προέκυψε ότι η αναχαίτιση του ρυθμού πρόσληψης φωσφόρου σε αερόβιες συνθήκες λόγω του ελεύθερου νιτρώδους οξέος περιγράφεται ικανοποιητικά από ένα non-competitive μοντέλο, η βέλτιστη μαθηματική περιγραφή του οποίου επιτυγχάνεται από το απλό non-competitive μοντέλο αναχαίτισης της σχέσης 1. PUR=PUR_max K_iFNA/(S_FNA+K_iFNA ) (1)όπου KiFNA είναι η σταθερά αναχαίτισης η οποία αντιστοιχεί στη συγκέντρωση του ελεύθερου νιτρώδους οξέος για την οποία καταγράφεται 50% αναχαίτιση του ρυθμού πρόσληψης φωσφόρου σε αερόβιες συνθήκες, SFNA είναι η συγκέντρωση του ελεύθερου νιτρώδους οξέος στον αντιδραστήρα και PURmax είναι η μέγιστη ταχύτητα πρόσληψης φωσφόρου σε συνθήκες απουσίας αναχαιτιστικού παράγονται. Σε αντιστοιχία με τα ανωτέρω διερευνήθηκε επίσης η αναχαιτιστική δράση των νιτρωδών στην ανοξική δράση των πολυφωσφορικών βακτηρίων και ειδικότερα στην ταχύτητα πρόσληψης φωσφόρου σε ανοξικές συνθήκες. Η διερεύνηση πραγματοποιήθηκε μέσω πειραμάτων batch σε βιομάζα που καλλιεργήθηκε σε αντιδραστήρα SBR. Τα αποτελέσματα των σχετικών πειραμάτων καταδεικνύουν ότι όπως και στην περίπτωση των αερόβιων συνθηκών, έτσι και στις ανοξικές συνθήκες η αναχαιτιστική ουσία είναι το ελεύθερο νιτρώδες οξύ παρά τα νιτρώδη (Σχήματα 3-4). Βάσει των αποτελεσμάτων, χαμηλές συγκεντρώσεις ελεύθερου νιτρώδους οξέος της τάξης των 1,5 μg Ν/L μπορεί αν οδηγήσουν σε αναχαίτιση του ρυθμού πρόσληψης φωσφόρου σε ανοξικές συνθήκες κατά 50%, γεγονός που υποδηλώνει ότι η ανοχή των πολυφωσφορικών μικροοργανισμών στην παρουσία του ελεύθερου νιτρώδους οξέος τόσο σε αερόβιες όσο και σε ανοξικές συνθήκες είναι παρόμοια. Τέλος επιβεβαιώθηκε ότι ο μηχανισμός αναχαίτισης ακολουθεί το non-competitive μοντέλο και στην περίπτωση των ανοξικών συνθηκών. Η διερεύνηση της επίδρασης του αμμωνιακού αζώτου στην ταχύτητα πρόσληψης φωσφόρου σε αερόβιες συνθήκες πραγματοποιήθηκε μέσω πειραμάτων batch σε εγκλιματισμένη και μη-εγκλιματισμένη βιομάζα η οποία καλλιεργήθηκε σε εργαστηριακό αντιδραστήρα SBR. Σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα διαπιστώθηκε ότι με την αύξηση του pH του ανάμικτου υγρού αυξάνεται η αναχαίτιση της διαδικασίας για τις ίδιες συγκεντρώσεις αμμωνιακού αζώτου (Σχήμα 5), γεγονός που υποδηλώνει με σαφήνεια ότι η βασική αναχαιτιστική ουσία της διεργασίας είναι η ελεύθερη αμμωνία. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 6 μία συγκέντρωση ελεύθερης αμμωνίας της τάξης των 8 mg Ν/L οδηγεί σε 50% αναχαίτιση του ρυθμού πρόσληψης φωφόρου σε αερόβιες συνθήκες, ενώ πλήρης αναχαίτιση αναμένεται για συγκεντρώσεις ελεύθερης αμμωνίας της τάξης των 40 mg Ν/L. Περαιτέρω, από αποτελέσματα στοχευμένων πειραμάτων εύρεσης του μοντέλου αναχαίτισης διαπιστώθηκε ότι η επίδραση της ελεύθερης αμμωνίας στον αερόβιο ρυθμό πρόσληψης φωσφόρου περιγράφεται από ένα un-competitive μοντέλο αναχαίτισης, η βέλτιστη μαθηματική προσομοίωση του οποίου δίνεται από τη σχέση 2.PUR=PUR_max S/(S∙(1+S_FA/K_iFA )+K_S ) (2)όπου KiFA είναι η σταθερά αναχαίτισης, SFA είναι η συγκέντρωση της ελεύθερης αμμωνίας στον αντιδραστήρα, S είναι η συγκέντρωση των φωσφορικών στον αντιδραστήρα, KS είναι ο συντελεστής ημι-κορεσμού για τα φωσφορικά και PURmax είναι ο μέγιστος ρυθμός πρόσληψης φωσφόρου σε αερόβιες συνθήκες απουσία αναχαιτιστικού παράγοντα.Αντίστοιχα πειράματα εργαστηριακής κλίμακας πραγματοποιήθηκαν για να εκτιμηθεί η επίδραση της ελεύθερης αμμωνίας στην δραστηριότητα των πολυφωσφορικών βακτηρίων σε ανοξικές συνθήκες. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα η επίδραση της ελεύθερης αμμωνίας στην ταχύτητα πρόσληψης φωσφόρου σε ανοξικές συνθήκες είναι αντίστοιχη αυτής σε αερόβιες συνθήκες. Ειδικότερα, συγκεντρώσεις ελεύθερης αμμωνίας μεγαλύτερες από 30 mg Ν/L μπορούν να οδηγήσουν σε πλήρη αναχαίτιση της διαδικασίας (Σχήμα 8). Τέλος διαπιστώθηκε ότι ο μηχανισμός αναχαίτισης των δράσης των πολυφωσφορικών βακτηρίων σε ανοξικές συνθήκες ακολουθεί ένα un-competitive μοντέλο αναχαίτισης, η βέλτιστη περιγραφή του οποίου δίνεται από το απλό μοντέλο αναχαίτισης της Levenspiel που περιγράφεται από τη σχέση 3:PUR=PUR_max (1-S_FA/(S_FA*) )^n (3)όπου SFA* είναι η συγκέντρωση της ελεύθερης αμμωνίας στον αντιδραστήρα για την οποία αναχαιτίζεται πλήρως η διεργασίας και n είναι μία εμπειρική σταθερά. Με βάση τα αποτελέσματα όλων των ανωτέρω διερευνήσεων διαπιστώθηκε ότι δράση των πολυφωσφορικών βακτηρίων τόσο σε αερόβιες όσο και σε ανοξικές συνθήκες δύναται να επηρεασθεί σε πολύ σημαντικό βαθμό από την παρουσία ελεύθερου νιτρώδους οξέος και ελεύθερης αμμωνίας και συνεπώς η τιμή του pH μπορεί να καθορίσει τη δυνατότητα επίτευξης βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε συστήματα νιτρωδοποίησης-απονιτρωδοποίησης. Σε χαμηλές τιμές του pH ευνοείται η παρουσία του ελεύθερου νιτρώδους οξέος και του αμμωνιακού αζώτου, ενώ σε αυξημένες τιμές του pH ευνοούνται υψηλότερες συγκεντρώσεις νιτρωδών και ελεύθερης αμμωνίας. Με βάση τα επιμέρους μοντέλα αναχαίτισης κατασκευάσθηκε το Σχήμα 9 στο οποίο αποτυπώνεται ο βαθμός αναχαίτισης ανάλογα με την παρουσία έκαστης αναχαιτιστικής ουσίας. Για παράδειγμα για μία συγκέντρωση αζώτου της τάξης των 200 mg Ν/L σε συνθήκες ισορροπίας και βέλτιστης τιμής του pΗ, η βιολογική απομάκρυνση του φωσφόρου αναμένεται να αναχαιτισθεί κατά 50% λόγω παρουσίας ελεύθερου νιτρώδους οξέος και 50% λόγω της παρουσίας της ελεύθερης αμμωνίας. Η μελέτης της συνδυαστικής επίδρασης των δύο ουσιών μελετήθηκε σε επόμενη ενότητα. Ωστόσο, με βάση τα αποτελέσματα αυτά διαπιστώνεται ότι η επίτευξη βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε συστήματα νιτρωδοποίησης – απονιτρωδοποίησης αποτελεί ένα μάλλον δύσκολο εγχείρημα. 4. Προσομοίωση της συνδυασμένης επίδρασης του ελεύθερου νιτρώδους οξέος και της ελεύθερης αμμωνίας στη δράση των πολυφωσφορικών βακτηρίωνΠροκειμένου να μελετηθεί η επίδραση της ταυτόχρονης παρουσίας ελεύθερου νιτρώδους οξέος και ελεύθερης αμμωνίας στην δράση των πολυφωσφορικών βακτηρίων πραγματοποιήθηκε μία σειρά πειραμάτων εργαστηριακής κλίμακας για μία σειρά συνδυασμών συγκεντρώσεων νιτρωδών (μεταξύ 25-120 mg/L) και αμμωνιακού αζώτου (μεταξύ 110-700 mg/L) σε τιμές pH στο εύρος του 7,3-8,2. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 10 τα πειραματικά αποτελέσματα βρίσκονται σε πολύ ικανοποιητική συμφωνία με τα αποτελέσματα της εφαρμογής της σχέσης 4, η οποία προκύπτει με συνδυασμό των μαθηματικών μοντέλων αναχαίτισης που προέκυψαν για την κάθε ουσία χωριστά.Inh_(FNA&FA)=1-(1-Inh_FNA )×(1-Inh_FA ) (4) Στο πλαίσιο της προσομοίωσης του φαινομένου της συνδυαστικής αναχαίτισης των πολυφωσφορικών βακτηρίων από την ελεύθερη αμμωνία και το ελεύθερο νιτρώδες οξύ αναπτύχθηκαν δύο μαθηματικά μοντέλα βασιζόμενα σε ενζυμική ανάλυση τα οποία αποτυπώνονται στις σχέσεις 5-6.PUR=(PUR_max [S])/(K_s (1+[S_FNA ]/K_iFNA )+[S](1+[S_FNA ]/K_iFNA +[S_FA ]/K_FA ) ) (5)PUR=PUR_max×K_iFNA/(S_FNA+K_iFNA )×S/(S(1+S_FA/K_iFA )+Ks) (6). Η βασική διαφοροποίηση των δύο μοντέλων αφορά στην ικανότητα ή μη ενός non-competitive αναχαιτιστικού παράγοντα (ελεύθερο νιτρώδες οξύ) να προσδεθεί στο σύμπλοκο ενζύμου-υποστρώματος στο οποίο έχει ήδη προσδεθεί ένας un-competitive αναχαιτιστικός παράγοντας (ελεύθερη αμμωνία) και αντίστροφα. Από τη σύγκριση των δύο μοντέλων έναντι των μετρημένων τιμών προέκυψε ότι το τροποποιημένο ενζυμικό κινητικό μοντέλο της σχέσης 6 μπορεί να περιγράψει πολύ ικανοποιητικά το φαινόμενο της συνδυαστικής αναχαίτισης της δράσης των πολυφωσφορικών βακτηρίων από το ελεύθερο νιτρώδες οξύ και την ελεύθερη αμμωνία (Σχήμα 11). Το τροποποιημένο ενζυμικό μοντέλο (Σχέση 6) μπορεί να αξιοποιηθεί για να προβλέψει την συνολική αναχαίτιση του βαθμού πρόσληψης φωσφόρου για μια σειρά συνθηκών (συγκεντρώσεις αμμωνιακού και νιτρώδους αζώτου, θερμοκρασία και pH), αλλά και για τον προσδιορισμό του βέλτιστου (για τα πολυφωσφορικά) pH ανάλογα με τον καταμερισμό του αζώτου σε αμμωνιακά και νιτρώδη. Με βάση αυτό, το μοντέλο δύναται να προσδιορίσει την βέλτιστη ρύθμιση του pH κατά τις διεργασίες νιτρωδοποίησης και απονιτρωδοποίησης, που οδηγεί στην ελάχιστη συνολική αναχαίτιση. Το σχήμα 12 παρουσιάζει τα αποτελέσματα μιας προσομοίωσης αυτών των διεργασιών για διάφορες συγκεντρώσεις αζώτου. Όπως φαίνεται, η αποτελεσματική ρύθμιση του pH δύναται να δημιουργήσει ένα πλατό στην συνολική αναχαίτιση των πολυφωσφορικών. 5. Διερεύνηση της επίδρασης των νιτρωδών και της ελεύθερης αμμωνίας στην δραστηριότητα των βακτηρίων συσσώρευσης γλυκογόνουΠροκειμένου να διερευνηθεί η επίδραση των νιτρωδών και της ελεύθερης αμμωνίας στην δραστηριότητα των βακτηρίων συσσώρευσης γλυκογόνου που αποτελούν και τους σημαντικότερους ανταγωνιστές των πολυφωσφορικών βακτηρίων, λειτούργησε αντιδραστήρας SBR στον οποίο αναπτύχθηκε βιομάζα η οποία αποτελούταν κατά 90% από Competibacter spp. Στη συνέχεια, η βιομάζα αυτή χρησιμοποιήθηκε σε πειράματα batch μέτρησης της μέγιστης ειδικής ταχύτητας ανάπτυξης των βακτηρίων συσσώρευσης γλυκογόνου για διαφορετικές συγκεντρώσεις νιτρωδών και διαφορετικά pH. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα αυτών των πειραμάτων (Σχήματα 13-14) διαπιστώθηκε ότι το ελεύθερο νιτρώδες οξύ είναι ο κύριος αναχαιτιστικός παράγοντας. Επιπλέον προέκυψε ότι τα βακτήρια συσσώρευσης γλυκογόνου είναι πιο ανθεκτικά στην παρουσία του ελεύθερου νιτρώδους οξέος από τα πολυφωσφορικά βακτήρια σε pH κοντά στο 7 ενώ η ανθεκτικότητά τους μειώνεται σε υψηλότερες τιμές του pH. Από την αξιολόγηση εναλλακτικών μοντέλων αναχαίτισης, η βέλτιστη περιγραφή του φαινομένου αναχαίτισης της ταχύτητας ανάπτυξης των βακτηρίων συσσώρευσης γλυκογόνου συναρτήσει της συγκέντρωσης του ελεύθερου νιτρώδους οξέος και του pH δίνεται από την σχέση 7. μ=μ_max K_iFNA^(10,142∙e^(-0,203∙pH) )/(S_FNA^(10,142∙e^(-0,203∙pH) )+K_iFNA^(10,142∙e^(-0,203∙pH) ) ) (7) Τέλος τα αποτελέσματα των πειραμάτων διερεύνησης της επίδρασης της ελεύθερης αμμωνίας στην ταχύτητα ανάπτυξης των βακτηρίων συσσώρευσης γλυκογόνου κατέδειξαν ότι οι μικροοργανισμοί αυτοί είναι πολύ ανθεκτικοί στην παρουσία της ελεύθερης αμμωνίας ακόμα και σε συγκεντρώσεις της τάξης των 16 mg Ν/L οι οποίες προκαλούν αναχαίτιση μεγαλύτερη από 50% της δραστηριότητας των πολυφωσφορικών βακτηρίων. 6. Μελέτη της επίδρασης του είδους του οργανικού υποστρώματος στον ανταγωνισμό των πολυφωσφορικών βακτηριών και των βακτηρίων συσσώρευσης γλυκογόνου σε συστήματα νιτρωδοποίησης – απονιτρωδοποίησης. Στο πλαίσιο της διερεύνησης της επίδρασης του ελεύθερου νιτρώδους οξέος στον ανταγωνισμό των PAOs και GAOs, αναπτύχθηκαν 3 διαφορετικές καλλιέργειες για την διερεύνηση της επίδρασης του οργανικού υποστρώματος σε συνθήκες συσσώρευσης νιτρώδους αζώτου. Σε κάθε αντιδραστήρα επικρατούσαν παρόμοιες συνθήκες νιτρωδοποίησης και απονιτρωδοποίησης με το ελεύθερο νιτρώδες οξύ να συσσωρεύεται έως 0,5 μg N/L κατά την αερόβια φάση (με μια μέση τιμή των 0,35 μg N/L, που έχει βρεθεί να αναχαιτίζει τα PAOs κατά περίπου 15%). Τα οργανικά υποστρώματα που εξετάστηκαν ήταν: α) οξικό οξύ, β) μίγμα οξικού και προπιονικού οξέος (50%-50%), και γ) τακτική εναλλαγή ανάμεσα σε προπιονικό και οξικό οξύ. Η ικανότητα της βιομάζας να απομακρύνει φώσφορο παρακολουθούταν τακτικά κατά την διάρκεια της λειτουργίας και τα προφίλ του ρυθμού απομάκρυνσης με την πάροδο του χρόνου παρουσιάζονται στο Σχήμα 15. Όπως είναι εμφανές, η χρήση οξικού οξέος και του μίγματος οξικού-προπιονικού δεν ωφέλησαν τα PAOs, των οποίων η δραστηριότητα τερματίστηκε μέσα σε μόλις 30-40 μέρες από την εκκίνηση της καλλιέργειας. Η τακτική εναλλαγή μεταξύ οξικού και προπιονικού οξέος από την άλλη επέτρεψε την παρουσία τους για αρκετά μεγαλύτερο διάστημα, καθώς περιόρισε την επικράτηση των GAOs. Ωστόσο, η απομάκρυνση φωσφόρου ήταν αρκετά ασταθής, ενώ με κάθε εναλλαγή τροφής η ανάκαμψη του ρυθμού δέσμευσης ήταν ολοένα και μικρότερη.6. Ανάπτυξη στρατηγικών βελτιστοποίησης της βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε συστήματα νιτρωδοποίησης – αποιτρωδοποίησης. Ενώ η αποτελεσματική ρύθμιση του pH μπορεί να διευκολύνει την δραστηριότητα των PAOs, η βιωσιμότητά τους σε συνθήκες αναχαίτισης απαιτεί στρατηγικές για την επικράτησή τους απέναντι στις ανταγωνιστικές ομάδες των GAOs. Μια στρατηγική που εφαρμόστηκε και αποδείχθηκε ιδιαίτερα αποτελεσματική ήταν η προαγωγή της ανάπτυξής τους μέσω απονιτρωδοποίησης με υπόστρωμα το προπιονικό οξύ. Η μέθοδος στηρίζεται στην αδυναμία των GAOs να αξιοποιήσουν τα νιτρώδη ως αποδέκτη ηλεκτρονίων όταν το προπιονικό οξύ αποτελεί την μοναδική πηγή άνθρακα. Έτσι, δίνοντας προτεραιότητα νιτρωδοποίησης στα PAOs απέναντι στους κοινούς ετερότροφους, κάτι που επιτυγχάνεται με την μη-προσθήκη οργανικής τροφής κατά την ανοξική φάση, διασφαλίζεται για αυτούς ένας αποκλειστικός χρόνος ανάπτυξης. Η εφαρμογή αυτής της στρατηγικής σε έναν αντιδραστήρα που λειτούργησε με φόρτιση αμμωνιακού αζώτου ίση με 0,1 kg N/m3 d, είχε ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη μιας σημαντικά εμπλουτισμένης βιομάζας σε PAOs (σε ποσοστό 50% επί των συνολικών μικροοργανισμών), ενώ η παρουσία των GAOs ήταν αμελητέα. Η βιομάζα ανέδειξε σταθερούς και σημαντικά υψηλούς ρυθμούς απομάκρυνσης φωσφόρου, τόσο σε αερόβιες όσο και σε ανοξικές συνθήκες. Ο μέσος μέγιστος αερόβιος ρυθμός απομάκρυνσης φωσφόρου ήταν 25 mg P/gVSS h, ενώ ο αντίστοιχος ανοξικός ρυθμός ήταν 10 mg P/gVSS h (Σχήμα 16), οδηγώντας στο συμπέρασμα ότι η ανοξική απομάκρυνση φωσφόρου πραγματοποιείται στο 40% της ταχύτητας της αντίστοιχης αερόβιας απομάκρυνσης. Η λειτουργία του αντιδραστήρα σε υψηλότερη φόρτιση αμμωνιακού αζώτου (0,15 kg N/m3 d), είχε ως αποτέλεσμα την μείωση της απόδοσης της βιομάζας κατά περίπου 50%, λόγω της συσσώρευσης υψηλότερων συγκεντρώσεων FNA που έφταναν 1 μg N/L. Η πτώση αυτή οφείλεται τόσο στον μικρότερο πληθυσμό των πολυφωσφορικών, λόγω αναχαίτισης της ανάπτυξής τους, όσο και στην άμεση αναχαίτιση της λειτουργίας τους. Σε μετέπειτα φάση, εξετάστηκε η βιωσιμότητά τους σε συνθήκες πολύ υψηλών συγκεντρώσεων FNA (που έφταναν τα 8 μg N/L), μέσω της ρύθμισης pH σε χαμηλή τιμή. Σε αυτές τις συνθήκες, η βιολογική απομάκρυνση αστόχησε, ωστόσο οι πληθυσμοί των GAOs στην βιομάζα παρέμεναν πρακτικά ανύπαρκτοι.Στο πλαίσιο της βελτιστοποίησης, πραγματοποιήθηκε μια σειρά μαθηματικών προσομοιώσεων προκειμένου να αξιολογηθεί η συνδυασμένη βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου και νιτρωδοποίησης/απονιτρωδοποίησης σε συστήματα υψηλής φόρτισης αζώτου. Η θεωρητική διάταξη που εξετάστηκε βελτιστοποιήθηκε όσον αφορά: i) την εναλλαγή των αερόβιων και ανοξικών συνθηκών, ώστε να αποτραπεί η συσσώρευση νιτρωδών και να διατηρηθεί το pH σε σχετικά υψηλές τιμές, ii) την παροχή ενός αποκλειστικού χρόνου απονιτρωδοποίησης στα PAOs, μετά την απομάκρυνση μιας σημαντικής ποσότητας νιτρωδών από τους κοινούς ετερότροφους, μέσω μιας δοσολογημένης προσθήκης οργανικού άνθρακα, στο πλαίσιο της στρατηγικής καταστολής των GAOs και iii) την ποιότητα των επεξεργασμένων λυμάτων. Η βιωσιμότητα της βιολογικής απομάκρυνσης αξιολογήθηκε για φορτίσεις αμμωνιακού αζώτου από 0,1 έως 0,3 kg N/m3 d, έχοντας υπόψη: α) τη συνολική αναχαίτιση των PAOs υπό τις συνθήκες κάθε σεναρίου, τόσο ως προς τη διατήρηση του πληθυσμού τους όσο και ως προς την απόδοσή τους, β) την επάρκεια της στρατηγικής καταστολής των GAOs σε κάθε σενάριο, γ) την αναγκαιότητα για ρύθμιση του pH για την ελαχιστοποίηση της αναχαίτισης των PAOs και δ) την αποτελεσματική καταστολή των NOB. Με βάση τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων και την αξιολόγησή τους, συμπεραίνεται ότι μια φόρτιση αζώτου της τάξεως των 0,2 kg N/m3 d θα μπορούσε να επιτρέψει επαρκή και σχετικά ασφαλή απομάκρυνση φωσφόρου χωρίς την ανάγκη για ρύθμιση του pH. Η λειτουργία σε υψηλότερες φορτίσεις ενδεχομένως να επέτρεπε επαρκή απομάκρυνση φωσφόρου, αν και πιθανότατα θα απαιτούσε κάποια ρύθμιση του pH που είναι δαπανηρή, ενώ είναι αβέβαιο αν θα εξασφαλιζόταν η επικράτηση των PAOs έναντι των GAOs. Συμπερασματικά, η επίτευξη βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε φορτίσεις αζώτου άνω των 0,3 kg N/m3 d φαίνεται εξαιρετικά απίθανη, καθώς οι συνθήκες αναχαίτισης από μόνες τους θα έβαζαν σε σοβαρό κίνδυνο τη βιωσιμότητα των πολυφωσφορικών βακτηρίων. 7. Συμπεράσματα: Τα κύρια συμπεράσματα της παρούσας διατριβής μπορούν να συνοψισθούν ως εξής: a) Το ελεύθερο νιτρώδες οξύ αναχαιτίζει σημαντικά την δραστηριότητα των πολυφωσφορικών βακτηρίων τόσο σε αερόβιες όσο και σε ανοξικές συνθήκες, με τον ρυθμό απομάκρυνσης φωσφόρου να αναχαιτίζεται κατά 50% σε συγκέντρωση 1,5 μg HNO2-N/L (10 mg NO2-N/L σε pH=7, 50 mg NO2-N/L σε pH=8, στους 20oC) και κατά 100% σε συγκεντρώσεις της τάξης των 13 μg HNO2-N/L (100 mg NO2-N/L σε pH=7, 500 mg NO2-N/L σε pH=8, στους 20oC). Ο μηχανισμός αναχαίτισης περιγράφεται βέλτιστα ως non-competitive για KiFNA=1,5 μg N/L και είναι ανεξάρτητος του αποδέκτη ηλεκτρονίων. b) Η ελεύθερη αμμωνία αποδείχθηκε ότι επίσης αποτελεί σημαντική αναχαιτιστική ουσία για τα PAOs σε αερόβιες και ανοξικές συνθήκες, προκαλώντας 50% αναχαίτιση του ρυθμού απομάκρυνσης φωσφόρου σε συγκεντρώσεις 8-10 mg NH3-N/L. Ο μηχανισμός αναχαίτισης περιγράφεται ικανοποιητικά από ένα un-competitive μοντέλο αναχαίτισης, με την ανοξική αναχαίτιση από FA να περιγράφεται καλύτερα από το μοντέλο της Levenspiel. c) Ο βαθμός αναχαίτισης των πολυφωσφορικών βακτηρίων είτε από τα νιτρώδη είτε από το αμμωνιακό άζωτο εξαρτάται από το pH που ελέγχει τις αντίστοιχες μορφές του ελεύθερου νιτρώδους οξέος και της ελεύθερης αμμωνίας. Σε όρους αζώτου, τα νιτρώδη αποτελούν τον ισχυρότερο αναχαιτιστή όταν το pH είναι κάτω από 8,2 περίπου, ενώ τα αμμωνιακά αποκτούν την μεγαλύτερη βαρύτητα όταν το pH υπερβαίνει αυτήν την τιμή. d) Η κοινή επίδραση του ελεύθερου νιτρώδους οξέος και της ελεύθερης αμμωνίας μπορεί να περιγραφεί πολύ ικανοποιητικά από το τροποποιημένο ενζυμικό μοντέλο αναχαίτισης που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο της διατριβής. Πρόσθετα, το μοντέλο δύναται να προσδιορίσει την βέλτιστη διακύμανση του pH κατά τις διεργασίες νιτρωδοποίησης και απονιτρωδοποίησης, για την ελαχιστοποίηση της αναχαίτισης των PAOs. e) Το FNA διαπιστώθηκε επίσης ότι αναχαιτίζει τα GAOs, αν και γενικά σε μικρότερο βαθμό από ότι τα PAOs. H επίδραση του FNA στην ανάπτυξη των GAOs φαίνεται να εξαρτάται από το pH, με τα GAOs να αναχαιτίζονται περισσότερο σε υψηλό pH (50% αναχαίτιση από 10 μg HNO2-N/L στο pH του 7 και από 3 μg HNO2-N/L στο pH του 8). Σε σύγκριση με τα PAOs, τα GAOs φαίνεται να έχουν σημαντικά υψηλότερη ανοχή στο FNA σε χαμηλό pH (7), ενώ σε σχετικά υψηλό pH (8) η ανθεκτικότητα των δύο μικροβιακών ομάδων μπορεί να θεωρηθεί συγκρίσιμη. Ως εκ τούτου, ένα υψηλό pH μπορεί να ωφελήσει τα PAOs, όχι μόνο μειώνοντας την περιεκτικότητα σε FNA, αλλά και ελαχιστοποιώντας τον ανταγωνισμό των GAOs. Ωστόσο, τα GAOs εμφανίζουν μεγάλη ανοχή στο FA, μένοντας πρακτικά ανεπηρέαστα από μια συγκέντρωση της τάξεως των 16 mg NH3-N/L (συγκέντρωση που, έχει βρεθεί ότι αναστέλλει τα PAOs κατά περίπου 60%). Ως εκ τούτου, οι υψηλές συγκεντρώσεις FA που επικρατούν σε συστήματα υψηλής φόρτισης αζώτου μπορεί να παρέχουν ένα ανταγωνιστικό πλεονέκτημα στα GAOs, ακυρώνοντας το όφελος της λειτουργίας σε υψηλό pH που ευνοεί τα PAO ως προς το FNA. Η επίδραση του FNA στην ανάπτυξη των GAO περιγράφεται ικανοποιητικά από μοντέλο αναχαίτισης τύπου Hill, με KiFNA ίσο με 9,2 και 3 μg N/L για τα pH του 7 και 8 αντίστοιχα, και έναν συντελεστή Hill στην τιμή των 2,45 και 2 για τα pH του 7 και 8 αντίστοιχα.f) Η προαγωγή των PAOs μέσω της απονιτρωδοποίησης με τη χρήση προπιονικού οξέος ως μοναδική πηγή άνθρακα, αποδείχθηκε η πιο αποτελεσματική στρατηγική για την καταστολή των GAOs και την επίτευξη σταθερής και αποτελεσματικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε συνθήκες αναχαίτισης. Η στρατηγική βασίζεται στην παροχή της αποκλειστικής αξιοποίησης των νιτρωδών από τα PAOs για ένα διάστημα όπου μόνο αυτά μπορούν να αναπτυχθούν. Καθώς όμως, οι ρυθμοί απονιτρωδοποίησης των PAOs είναι σημαντικά χαμηλότεροι από τους αντίστοιχους των τυπικών ετεροτροφικών μικροοργανισμών, η εφαρμογή αυτής της στρατηγικής προϋποθέτει υψηλότερους ανοξικούς χρόνους παραμονής, περιορίζοντας την επεξεργασία με υψηλές φορτίσεις αζώτου. Μαθηματική προσομοίωση ενός τέτοιου συστήματος έδειξε ότι η βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου σε συνθήκες νιτρωδοποίησης/απονιτρωδοποίησης, είναι επιτεύξιμη για φορτίσεις αζώτου έως 0,2 kg N/m3 d χωρίς την ανάγκη ρύθμισης του pH, ενώ διαφαίνεται αδύνατη για φορτίσεις πάνω από 0,3 kg N/m3 d.g) Η εφαρμογή της βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε συστήματα νιτρωδοποίησης/απονιτρωδοποίησης είναι εφικτή, ωστόσο προϋποθέτει ενδεχομένως την διαθεσιμότητα προπιονικού οξέος. Η προμήθεια μπορεί να γίνει μέσω της υδρόλυσης της πρωτοβάθμιας ιλύος με λειτουργία που στοχεύει στην μεγιστοποίηση του κλάσματος του προπιονικού επί του συνολικού παραγόμενου διαλυτού άνθρακα. Σε συστήματα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων που χαρακτηρίζονται από έναν σχετικά χαμηλό λόγο C:N, η ταυτόχρονη απομάκρυνση αζώτου και φωσφόρου με την ίδια πηγή άνθρακα είναι θεμιτή. Σε κάθε περίπτωση όμως, η βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου σε αυτές τις συνθήκες θα απαιτεί μεγαλύτερους όγκους αντιδραστήρων σε σχέση με τις αντίστοιχες απαιτήσεις για απομάκρυνση αζώτου.
Himanshu K. Khuntia, Sanjeeb Mohapatra, Seema Sukhani et al.
Biological Treatment of Industrial Wastewater · 2021
The less energy-intensive anaerobic membrane bioreactor (AnMBR)-based wastewater treatment is a relatively new technology used to treat wastewater from a variety of domestic and industrial sources. Several engineering challenges and limited resource recovery have limited its wide application; however, good effluent quality compared to conventional anaerobic biological processes has increased its suitability as a novel treatment technology. Large-scale field implementation of AnMBRs has been limited and relatively slow despite the rapid developments in membrane manufacturing technologies and scientific publications. The overall performance of the bioreactor under various physicochemical conditions, process optimization, mitigation strategies of membrane fouling, and energy efficiency have not been completely evaluated. This chapter aims to present a basic understanding and the underlying mechanisms of AnMBRs, focusing on the current status and recent developments in their design and operation. It also addresses the research gaps in this area by discussing the different industrial applications of AnMBRs for the treatment of a variety of wastewaters.
Maryam Edalatmanesh
· 2021
A dynamic kinetic model, for the oxidation of phenol in water by UV/H₂O₂ system is developed. The model is based on elementary chemical and photochemical reactions, initiated by the photolysis of hydrogen peroxide into hydroxyl radical. Numerical values of chemical reaction rate constants and photochemical parameters are taken from literature. The model is validated with data on the oxidation of phenol in the simulated and the actual UV/H₂O₂ system. Using experimental data from literature, kinetic rate constants for the reactions involving phenol oxidation intermediates, catechol and hydroquinone, are estimated. The rate constants for the reactions, where phenol oxidized to catechol and hyroquinone by hydrogen peroxide are 9x10⁸ and 2x10⁸ s⁻¹ M⁻¹, respectively. The reaction rate constants for oxidations of catechol and hydroquinone by hydrogen peroxide are found to be 9x10⁸ and 8x10⁷ s⁻¹ M⁻¹, respectively. Phenol biodegradation is best represented by a two-step Haldane model. Both photochemical and biological models are coupled together to give one single chemical-biological system. The photochemical-biological process is optimized for the retention time, electrical energy consumption, and cost. The optimization approach is solved using the Successive Quadratic Programming (SQP) method. The least retention time for this system is determined to be 99h and the optimal electrical energy consumption occurs at a photochemical retention time of 15h and a biological retention time of 92h. Calculations on the total cost for different retention times show that the incurred cost by the photochemical unit is considerably higher than that by the biological unit. However, the minimum total cost is evaluated to occur at 15.5h of photochemical retention time and 90h of biological retention time.
Jebin Ahmed, Abhijeet Thakur, Arun Goyal
Biological Treatment of Industrial Wastewater · 2021
The increased population has led to an increase in the demand for goods which in turn has caused rapid industrialization. In turn, the increase in industrial set-ups has led to the increased production of industrial wastes. These industrial wastes cause major environmental havoc by polluting the water, air and soil. The quality and quantity of wastewater generated depends on the type of industry: it can contain non-biodegradable waste such as heavy metals, pesticides, plastic etc. and biodegradable compounds such as paper, leather, wool etc. Industrial wastewater can be toxic, reactive, carcinogenic or ignitable. Therefore, without proper treatment and management strategies, the discharging of the waste into water bodies can pose dreadful environmental and health effects. Several waterborne pathogens proliferate in wastewater and produce toxins, affecting the earth's ecosystem and human health. The toxins in industrial wastewater cause acute poisoning, immune system suppression and reproductive failure. According to the WHO, around 80% of diseases are waterborne. To address the environmental and health issues created by industrial wastewater, it is absolutely necessary to obliterate its toxicity by adequate treatment with physical, chemical and biological means so that it can be recycled for water conservation.
Shreya Anand, Koel Mukherjee, Padmini Padmanabhan
Biological Treatment of Industrial Wastewater · 2021
Industrial development across the globe has resulted in the contamination of groundwater, soils, and surface water with hazardous wastes and chemicals. It has become one of the key problems that needs to be resolved through globally approved research. The availability of pure and clean water to sustain human needs is considered one of the biggest challenges of this century. An enormous amount of resources, energy and capital is being disbursed worldwide for the treatment of enormous amounts of wastewater. Therefore, cost-effective treatments are needed for sustainable remediation of wastewater using a natural approach. Bioremediation is one biological approach that makes use of membrane bioreactors to satisfy the immediate environmental needs. Designing a bioreactor in which biological reactions can take place is one of the major challenges. The current chapter highlights the foremost challenges involved in designing and operating a bioreactor for wastewater treatment.
Monalisa Satapathy, Biju Prava Sahariah, J. Anandkumar
Biological Treatment of Industrial Wastewater · 2021
In past few years, the substantial growth of industrialization has caused a clean water crisis across the world. Water is a key resource for any industrial process and hence industries discharge considerable amounts of wastewater containing a number of pollutants that are toxic to the environment. Prolonged exposure of the pollutants to ecosystem is the biggest concern of the scientific community trying to develop efficient and sustainable techniques for proper handling of industrial wastewater. Biodegradation as a technique has gained popularity due to its eco-friendly nature, but the presence of recalcitrant compounds in wastewater restricts its large-scale application. In the present scenario, the moving-bed biofilm system has immense potential to deal with the diverse group of pollutants present in industrial wastewater. This chapter gives an overview of the moving-bed biofilm system and its application for the treatment of different industrial wastewaters. Furthermore, it explores the merits and demerits of the available biofilm systems and provides a critical review of recent research developments in the field and the sustainability of biofilm systems for large-scale application. This chapter gives new insights for future research into and development of biofilm systems that will make them a realistic approach to industrial wastewater treatment.