Έλεγχος δυσοσμίας σε δίκτυα αστικών λυμάτων με προσθήκη νιτρικού

Abstract

Addition of nitrate is a well-known method for odor control in sewer networks. However, although the kinetics of denitrification is widely studied, in regard to biological treatment, the respective reports, under sewer conditions, in literature are limited. In the framework of the investigation of the present thesis a chemostate was, initially, designed and operated for the kinetic study of autotrophic denitrification, by a mixed culture, with sulfide as the electron donor. The continuous operation of the chemostate, fed with a synthetic wastewater with no organic substrate, proved to be not possible for nitrate to sulfide influent ratios between 0,50-1,12 gNO3-N/gS-2. The culture failure is attributed to nitrite accumulation, which leads to inhibition of the autotrophic denitrification and, consequently, to biomass washout. During the experimental period, temperature (300C), pH value of 7,2 and dilution rate (0,03 h-1) remained constant. After the culture failure of the chemostate, a fluidized bed reactor was designed and operated, in order to find suitable continuous flow conditions that will allow autotrophic denitrification to take place. Immobilization of the biomass and feeding with synthetic wastewater which contained, except from sulfide, organic substrates (acetic, glucose and peptone) were chosen, in order to avoid biomass washout and nitrite accumulation, respectively. The experimental results indicate that the potentiality of simultaneous autotrophic and heterotrophic denitrification is determined by the type of the organic substrate. Autotrophic denitrification, under nitrate limited conditions, is found to be possible in the presence of glucose but is completely inhibited in the presence of acetic or peptone. Experiments with sewer wastewater, as the electron donor, prove that autotrophic denitrification with sulfide can take place simultaneously with heterotrophic denitrification. Different experimental group investigated, in a batch reactor, the kinetics of denitrification with septic sewer wastewater in different temperatures. The results indicate that nitrate utilization is accompanied with temporal nitrite accumulation and it can be simplified into three stages. During the first stage sulfide is oxidized and, during the followed two stages, sulfide is completely inhibited. It is also observed that the extend of temporal nitrite accumulation is determined by temperature, which has an important impact on the kinetic profile of nitrate utilization. Arrhenius equations were developed which predict the anoxic rates in every temperature. Further experiments investigated the effect of mass transfer phenomena in the overall kinetics of denitrification that take place in a sewer pressure main biofilm. For these purposes, an experimental pressure main was designed and operated. From the results, it is found that nitrite accumulation, during denitrification, is negligible regardless of the wastewater temperature. Heterotrophic denitrification is found to follow typical biofilm kinetics, in regard to nitrate utilization. Initially a zero order kinetic is observed, in regard to nitrate utilization, which is followed by half order kinetics, due to partial penetration of nitrate in the biofilm. In the presence of sulfide, anoxic sulfide oxidation and denitrification present similar kinetic profile. From the obtained rates, Arrhenius equations were developed which predict the rates in every temperature. Finally, nitrate addition was applied, under full scale conditions, in three sewer networks of the country. Nitrate addition in the sewer network of the Municipality of Corfu, with a length of 6,7 Km, proved its effectiveness for odor control. Addition of 2,6 KgNO3-N/h decreased total sulfide concentrations from 13-28 g/m3 to concentrations below 1 g/m3, along the sewer network. The method was also applied in the sewer network of Parikia (Municipality of Paros) and in the sewer network of Palio (Municipality of Kavala). Nitrate dosing between 1,4-2,3 and 0,3-0,5 KgNO3-N/h, respectively, cope effectively with odor problems in the networks. The correlation of the anoxic transformations rates, determined experimentally, with the hydraulic characteristics that define a sewer network allowed the development of a mathematical model that predicts the kinetics of anoxic sulfide oxidation and denitrification.The mathematical model became the base of a software program which allows the user to predict the optimum nitrate dosage, for effective odor control, in pressurized sewer networks. The simulation of the conditions, during the nitrate dosing period, in the sewer network of Parikia and Palio confirmed the ability of the mathematical model to adequately predict the optimum nitrate dosage in a sewer network, as the simulated nitrate dosages agree with the optimum nitrate dosages that were experimentally determined.

Η προσθήκη νιτρικού αποτελεί μία διαδεδομένη μέθοδο για τον έλεγχο δυσοσμίας σε δίκτυα αστικών λυμάτων. Ωστόσο, αν και η κινητική της απονιτροποίησης έχει μελετηθεί εκτεταμένα στα πλαίσια της βιολογικής επεξεργασίας, οι αντίστοιχες βιβλιογραφικές αναφορές, υπό συνθήκες δικτύου, είναι περιορισμένες. Στα πλαίσια διερεύνησης της παρούσας διατριβής, σχεδιάστηκε και λειτούργησε, αρχικά, ένας χημειοστάτης, ώστε να μελετηθεί η κινητική της αυτότροφης απονιτροποίησης μίας μικτής καλλιέργειας με ηλεκτρονιακό δότη θειούχο. Η συνεχής λειτουργία του χημειοστάτη, με τροφοδοσία συνθετικού υγρού αποβλήτου, απουσία οργανικού υποστρώματος, αποδείχθηκε αδύνατη για λόγο εισροής νιτρικού/θειούχου με τιμές μεταξύ 0,50-1,12 gNO3-N/gS-2. Αίτιο της αποτυχίας αποτέλεσε η συσσώρευση νιτρώδους, που οδηγεί σε παρεμπόδιση της αυτότροφης απονιτροποίησης και, εν τέλει, σε ξέπλυμα της βιομάζας. Η θερμοκρασία (300C), το pH (7,2) και ο συντελεστής αραίωσης (0,03 h-1) διατηρήθηκαν σταθερά, καθ’όλη την πειραματική περίοδο. Μετά την αδυναμία συνεχούς λειτουργίας του χημειοστάτη, σχεδιάστηκε και λειτούργησε ένας αντιδραστήρας ρευστοποιημένης κλίνης, ώστε να βρεθούν κατάλληλες συνθήκες που να καθιστούν την αυτότροφη απονιτροποίηση, υπό συνθήκες συνεχούς ροής, εφικτή. Επιλέχθηκε καθήλωση της βιομάζας και τροφοδοσία συνθετικού υγρού αποβλήτου που περιείχε, εκτός από θειούχο, οργανικά υποστρώματα (οξικό, γλυκόζη και πεπτόνη) ώστε να αποφευχθεί ξέπλυμα της βιομάζας και συσσώρευση νιτρώδους, αντίστοιχα. Τα πειραματικά αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι η δυνατότητα ταυτόχρονης αυτότροφης και ετερότροφης απονιτροποίησης καθορίζεται από το είδος του οργανικού υποστρώματος. Πιο συγκεκριμένα, βρέθηκε ότι η αυτότροφη απονιτροποίηση, υπό συνθήκες περιορισμού του νιτρικού, μπορεί να πραγματοποιηθεί παρουσία γλυκόζης αλλά παρεμποδίζεται πλήρως παρουσία οξικού ή πεπτόνης. Πειράματα με αστικό λύμα δικτύου, ως οργανικό υπόστρωμα, επιβεβαιώνουν ότι η αυτότροφη απονιτροποίηση με θειούχο μπορεί να πραγματοποιηθεί ταυτόχρονα με την ετερότροφη απονιτροποίηση. Διαφορετική ομάδα πειράματων σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου μελέτησε την κινητική της απονιτροποίησης σε σηπτικό αστικό λύμα δικτύου, σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η αναγωγή νιτρικού μπορεί να διαχωριστεί σε τρία στάδια και συνοδεύεται από προσωρινή συσσώρευση νιτρώδους. Κατά την διάρκεια του πρώτου σταδίου, το θειούχο οξειδώνεται πλήρως και στα ακόλουθα δύο, η παραγωγή του παρεμποδίζεται πλήρως. Παρατηρήθηκε ότι η έκταση της προσωρινής συσσώρευσης νιτρώδους καθορίζεται από την θερμοκρασία, η οποία έχει σημαντική επίδραση στο κινητικό προφίλ της αναγωγής νιτρικού. Από τους ρυθμούς που παραλήφθησαν, αναπτύχθηκαν εξισώσεις Arrhenius που προσδιορίζουν τους ρυθμούς των αντιδράσεων σε κάθε θερμοκρασία. Επιπλέον πειράματα διερεύνησαν την κινητική της απονιτροποίησης σε βιοφίλμ αγωγού, σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Στα πλαίσια των πειραμάτων σχεδιάστηκε και λειτούργησε ένας εργαστηριακός αγωγός πίεσης. Από τα αποτελέσματα βρέθηκε ότι η απονιτροποίηση πραγματοποιείται χωρίς σημαντική συσσώρευση νιτρώδους, ανεξάρτητα από την θερμοκρασία. Η ετερότροφη απονιτροποίηση βρέθηκε να ακολουθεί τυπική κινητική κατανάλωσης υποστρώματος σε σύστημα καθηλωμένης βιομάζας. Αρχικά η αναγωγή νιτρικού ακολουθεί φαινομενική κινητική μηδενικής τάξεως και ακολούθως, λόγω μερικής διείσδυσης του νιτρικού στο βιοφίλμ, κινητική μισής τάξεως (half order kinetics). Παρουσία θειούχου, η ανοξική οξείδωση θειούχου και η απονιτροποίηση παρουσιάζουν παρόμοια κινητικά προφίλ. Από τους ρυθμούς που παραλήφθησαν, αναπτύχθηκαν εξισώσεις Arrhenius που προσδιορίζουν τους ρυθμούς των αντιδράσεων σε κάθε θερμοκρασία. Τέλος, η προσθήκη νιτρικού εφαρμόστηκε, σε πλήρη κλίμακα, σε τρία δίκτυα αστικών λυμάτων της χώρας. Η εφαρμογή της προσθήκης νιτρικού στο δίκτυο αστικών λυμάτων του Δήμου Κερκυραίων, μήκους 6,7 Km, απέδειξε την αποτελεσματικότητα της μεθόδου για τον έλεγχο οσμών. Προσθήκη 2,6 KgNO 3-N/h μείωσε τις συγκεντρώσεις υδρόθειου από 13-28 g/m3 σε συγκεντρώσεις μικρότερες του 1 g/m3, κατά μήκος του δικτύου. Η μέθοδος εφαρμόστηκε, ακολούθως, στο δίκτυο αστικών λυμάτων της Παροικίας του Δήμου Πάρου αλλά και στο δίκτυο αστικών λυμάτων της περιοχής Παληού του Δήμου Καβάλας. Δοσομετρήσεις μεταξύ 1,4-2,3 και 0,3-0,5 KgNO3-N/h, αντίστοιχα, επίλυσαν πλήρως τα προβλήματα δυσοσμίας. Η συσχέτιση των ανοξικών ρυθμών, που προσδιορίστηκαν στα εργαστηριακά πειράματα, με τα υδραυλικά χαρακτηριστικά που ορίζουν ένα δίκτυο επέτρεψε την ανάπτυξη ενός μαθηματικού ομοιώματος, το οποίο προβλέπει την κινητική της ανοξικής οξείδωσης θειούχου και της απονιτροποίησης. Το μαθηματικό ομοίωμα αποτέλεσε την βάση για την δημιουργία ενός λογισμικού προγράμματος που παρέχει στον χρήστη την δυνατότητα εύρεσης της βέλτιστης δοσομέτρησης νιτρικού, για αποτελεσματικό έλεγχο δυσοσμίας, σε υπό πίεση δίκτυα. Η προσωμοίωση των συνθηκών, που επικρατούσαν κατά την δοσομέτρηση νιτρικού στο δίκτυο αστικών λυμάτων της Παροικιάς και του Παληού, από το λογισμικό πρόγραμμα επιβεβαίωσε την ικανότητα του μαθηματικού ομοιώματος να προβλέψει ικανοποιητικά την βέλτιστη δοσομέτρηση νιτρικού, αφού οι προτεινόμενες δοσομετρήσεις συμφωνούν με τις βέλτιστες δοσομετρήσεις νιτρικού που προσδιορίστηκαν πειραματικά.