Biological phosphorus removal coupled with nitritation-denitritation for low carbon/nitrogen wastewater treatment systems

Abstract

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 20°C) 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 20°C). 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.

Keywords

Identifiers

DOI

10.12681/eadd/52583

Journal

Unknown journal

Year

2022