Πειραματική διερεύνηση της βιολογικής απομάκρυνσης αζώτου μέσω νιτρωδοποίησης-απονιτρωδοποίησης κατά την επεξεργασία στραγγιδίων αφυδάτωσης αναερόβια χωνεμένης ιλύος

Abstract

Wastewater treatment plants (WWTPs) apply processes such as thickening, anaerobic digestion and dewatering in order to remove the moisture, stabilize and sanitize the excess sludge. In large WWTPs, the anaerobic digestion process is usually applied to achieve efficient sludge treatment, while at the same time leading to energy production in the form of biogas. The anaerobically digested sludge is then sent to the mechanical dewatering process to reduce its moisture content. In the dewatering process, a side stream liquid waste is produced which is usually known as sludge reject water or sludge liquor and is characterized by its very high total and ammonium nitrogen concentration.In recent years, certain large WWTPs apply the pre-treatment of sewage sludge through thermal hydrolysis upstream of the anaerobic digestion process. In this process, sewage sludge is subjected to high pressure and temperature in order to facilitate the subsequent anaerobic digestion process. Thermal hydrolysis can increase the production of biogas during the anaerobic digestion process, while at the same time it can improve the efficiency of the mechanical dewatering process. The sludge reject water produced after the dewatering of thermally pre-treated digested sludge is characterized by higher concentrations of total and ammonium nitrogen when compared to conventional anaerobically digested and dewatered sludge reject water.The usual practice regarding the sludge reject water in WWTPs is to recirculate it at the inlet of the plant, thus increasing the nitrogen load of the plant by up to 25%. In recent years, the application of the separate side stream treatment of sludge reject water before its recirculation at the inlet of the WWTPs is applied in some plants to relieve them from the nitrogen loads that are applied. Due to the special characteristics of sludge reject water (high nitrogen load, low carbon to nitrogen (C/N) ratio, low biodegradable organic content), the biological nitrogen removal through the process of conventional nitrification/denitrification is problematic. Instead, the application of processes such as nitritation/denitritation and partial nitritation/anaerobic ammonium oxidation (anammox) seem to be the most feasible processes.The main objective of the present doctoral dissertation is to investigate the biological nitrogen removal from sludge reject water generated from thermally pretreated anaerobically digested sludge. To achieve this objective, the development and operation of a pilot-scale Sequencing Batch Reactor (SBR) with a working volume of 9 m³ was selected and implemented at the Psyttalia Wastewater Treatment Plant, where the biological nitrogen removal from sludge reject water was examined through the application of the nitritation/denitritation process.Furthermore, the specific objectives included the investigation of the factors that may affect the implementation of the nitritation/denitritation process, such as temperature, free ammonia (FA) concentration, free nitrous acid (FNA) concentration, and the addition of an external organic carbon source during denitritation process. More specifically, the effect of temperature on the nitritation rate (Ammonium Uptake Rate - AUR) and on the denitritation rate (Nitrogen Uptake Rate - NUR) was examined through a series of batch experiments using the biomass of the pilot SBR. These experiments also led to the calculation of the specific temperature coefficient (θ) of the Arrhenius equation that is applied to normalize the AUR/NUR rates to the reference temperature of 20 °C. A series of batch experiments was also conducted to investigate the effect of different free ammonia (FA) and different free nitrous acid (FNA) concentrations in the mixed liquor, on the nitritation process of the SBR biomass.During the present research, a different denitritation process was also examined through lab-scale reactors for the application of autotrophic denitritation using S₂O₃²⁻ as electron donor. In order to investigate the feasibility of applying the autotrophic denitritation process using S₂O₃²⁻ as electron donor, three identical SBRs were operated for about 170 days. The investigation of the efficiency of the combined suspended-attached growth process to remove nitrogen via nitrite from thermally pre-treated sludge reject water, was carried out using a lab-scale IFAS-SBR (30 L volume filled with floating carrier media (30% or 50%)) that operated for more than 530 days. The pilot-scale SBR unit was operated for approximately 985 consecutive days, achieving high removal efficiencies for both ammonium nitrogen and total nitrogen from sludge reject water. The start-up period of the SBR, defined as the time required to achieve stable nitritation instead of conventional nitrification, lasted approximately 35 days. The primary reason for the washout of nitrite-oxidizing bacteria (NOB) and the accumulation of nitrite was the high free ammonia (FA) concentrations in the mixed liquor (>10 mg NH₃–N L⁻¹), resulting from the gradual increase of the nitrogen loading rate (NLR).Following the start-up period, the operation of the pilot SBR unit was divided into four distinct operational periods. The classification of these periods was based on the application of different NLRs and the use of different external organic carbon sources. The maximum NLR applied to the pilot SBR was 0.51 ± 0.09 kg N m⁻³ d⁻¹, under which the system achieved very high ammonium nitrogen (NH₄–N) removal efficiencies (90.1 ± 4.9%) but exhibited reduced performance in terms of total nitrogen (TN) removal compared to the other operational periods (TN removal = 77.5 ± 12.4%). The reduced TN removal efficiency was attributed to the insufficient duration of the anoxic phases, which did not allow complete denitritation to be achieved.It was determined that the operational limit of the examined sludge reject water treatment system corresponded to nitrogen loading rates of up to 0.5 kg N m⁻³ d⁻¹. At higher NLRs, due to partial denitritation, there was a risk of gradual nitrite accumulation to undesirable levels. During the remaining operational periods of the pilot SBR unit, the average NLR was relatively stable, ranging between 0.31 and 0.33 kg N m⁻³ d⁻¹. Under these conditions, very high ammonium nitrogen removal efficiencies (>90%) and high total nitrogen removal efficiencies ranging from 81.4 ± 19.2% to 91.1 ± 8.6% were achieved.The biodegradable organic content of sludge reject water was very low, with only 5.8% of the total COD being biodegradable, necessitating the addition of an external organic carbon source to achieve denitritation. During the reactor start-up period as well as during the 1st operational period, sodium acetate and sludge liquor originating from the thickening of primary sludge at the Psyttalia WWTP were used as external carbon sources. During the 2nd and 3rd operational periods, sodium acetate was used exclusively, whereas during the 4th operational period, only sludge liquor from the thickening of primary sludge was applied.During the 3rd and 4th operational periods, the pilot unit was operated under similar conditions but with different external carbon sources, in order to conduct a direct comparison between the two substrates. The results demonstrated that the use of sodium acetate as an external carbon source resulted in higher denitritation rates compared to the use of sludge liquor from primary sludge thickening. Specifically, sodium acetate led to a 15% increase in the average denitritation rates and a 10% increase in the overall total nitrogen removal efficiency of the unit. Nevertheless, the use of sludge liquor from the primary sludge thickening unit constitutes a satisfactory zero-cost solution which, when combined with a commercially available external carbon source, could achieve efficient nitrogen removal while reducing the overall operational cost of such systems.A major disadvantage of the exclusive use of sludge liquors from the thickening of primary sludge as an external carbon source is the requirement for the addition of large volumes of this substrate during the denitritation phase in order to achieve the required organic carbon concentration, which may necessitate the design of larger-volume SBR reactors.Given the requirement for the addition of an external organic carbon source during the denitritation process, the application of the alternative autotrophic denitritation process was also investigated within the framework of the present doctoral research. Specifically, the autotrophic denitritation process was examined in lab-scale systems using thiosulfate (S₂O₃²⁻) as the electron donor.As demonstrated, autotrophic denitritation can be successfully applied but presents significant disadvantages compared to conventional heterotrophic denitritation process. In particular, based on both the daily operation of the lab-scale systems and batch experiments, autotrophic denitritation exhibited a pronounced lag phase (more than 20 hours), observed from the time the system was fed with synthetic wastewater until the onset of the denitritation process. Furthermore, the denitritation rates recorded ranged between 0.93 and 1.53 mg NO₂–N gVSS⁻¹ h⁻¹ and were significantly lower than the corresponding NURs achieved through heterotrophic denitritation.Furthermore, autotrophic denitritation resulted in the consumption of alkalinity and a continuous decrease in pH in the mixed liquor, thereby increasing the requirements for chemical addition for pH control. The main advantage of applying autotrophic denitritation using Na₂S₂O₃ as the electron donor, compared to heterotrophic denitritation using sodium acetate (C₂H₃NaO₂), was the reduced cost, by up to 60% per kilogram of nitrite removed.In order to further investigate the nitritation/denitritation process, batch experiments were also conducted using biomass obtained from the pilot-scale SBR reactor, focusing on the evaluation of different factors that may affect the process. Specifically, the effect of temperature on nitritation rates (Ammonium Uptake Rate, AUR) and denitritation rates (Nitrite Uptake Rate, NUR) was examined, as well as the influence of free ammonia (FA) and free nitrous acid (FNA) on nitritation rates.Regarding temperature, it was identified as a determining factor for achieving high AUR and NUR, as it significantly affects the activity of the biomass in such systems. Experimental results obtained at different temperatures indicated that both AUR and NUR increased in an almost linear manner with increasing temperature. Indicatively, at 30 °C, the average AUR were 5.2 times higher than those observed at 15 °C, while similar trends were recorded for NURs. Moreover, these experiments were used for the calculation of the temperature coefficient (θ), which can be incorporated into an Arrhenius-type equation to normalize AUR and NUR values to 20 °C, thus eliminating the effect of experimental temperature variations. Specifically, the θ value determined for the nitritation process was 1.124, while for denitritation it was equal to 1.109.Batch experiments investigating the effect of different FA concentrations (ranging from 1.75 to 88 mg NH₃–N L⁻¹) on the nitritating biomass of the pilot SBR unit, demonstrated that the ammonia-oxidizing bacteria (AOB) were fully acclimated to high FA concentrations. In particular, no inhibitory effects on AUR were observed even at FA concentrations as high as 88 mg NH₃–N L⁻¹. In contrast, similar experiments conducted with conventional nitrifying biomass (originating from a conventional WWTP) exhibited significant inhibition of AUR (>50%) at FA concentrations close to 20 mg NH₃–N L⁻¹.Experiments examining the effect of different FNA concentrations (ranging from 4 to 28 μg HNO₂–N L⁻¹) revealed significant inhibition of AUR (approximately 50%) when FNA concentrations exceeded 10 μg HNO₂–N L⁻¹. Nevertheless, a significant degree of acclimation of the pilot SBR biomass to elevated FNA concentrations was also observed. Corresponding experiments using conventional nitrifying biomass showed considerably higher inhibition of nitrification at high FNA concentrations in the mixed liquor compared to that observed for the nitritating biomass.Despite the satisfactory performance of the pilot SBR unit in treating sludge reject water from thermally pre-treated digested sludge, the application of a system combining both suspended and attached growth biomass was further investigated, aiming to potentially increase the applied nitrogen loading rates. A lab-scale Integrated Fixed-Film Activated Sludge Sequencing Batch Reactor (IFAS-SBR) with a working volume of 30 L was selected and operated for five distinct operational periods (540 days of operation).By applying the nitritation/denitritation process for the treatment of sludge reject water from thermally pretreated anaerobically digested sludge, the IFAS-SBR system achieved very high removal efficiencies for both NH₄–N (91.3–96.9%) and TN (91.5–94.6%) in all operational periods, even at periods when very high nitrogen loading rates reaching up to 1.0 ± 0.02 kg N m⁻³ d⁻¹ were applied. This NLR was approximately twice the maximum applied in the pilot-scale SBR system, highlighting the significant contribution of attached growth biomass in sludge reject water treatment.Considering the influence of temperature on the nitritation/denitritation process, it should be noted that the maximum NLR applied in the pilot SBR unit was achieved during a period when the mixed liquor temperature ranged at 26.2 ± 4.5 °C. In contrast, the IFAS-SBR reactor was able to operate at a double NLR under substantially lower operating temperatures, with the mixed liquor temperature during the period of maximum NLR being close to 19.5 ± 1.8 °C. The development of attached growth biomass in the IFAS-SBR system required a considerable acclimation period, before a significant biofilm concentration (23 g TSS m⁻²) was observed after approximately 100 days of reactor operation.The composition of the attached biomass varied depending on the operational conditions in the IFAS-SBR reactor, as reflected in its fluctuating contribution to nitritation and denitritation processes across different periods. The maximum contribution of attached growth biomass to nitritation was observed during the 3rd operational period, accounting for the oxidation of 23.1% of the ammonium nitrogen converted to nitrite per day. At the same time, the highest contribution to denitritation process was recorded during the 2nd operational period, during which the attached growth biomass was responsible for the reduction of 55.1% of nitrite to nitrogen gas per day.The IFAS-SBR reactor, particularly during periods operated with a 50% carrier filling ratio compared to period with 30% of carrier filling ratio, demonstrated a greater effectiveness in treating higher daily volumes of sludge reject water and achieving higher ammonium and total nitrogen removal efficiencies compared to the conventional suspended-growth SBR system.In summary, the treatment of sludge reject water from thermally pretreated anaerobically digested sludge can be effectively achieved through the nitritation/denitritation process using either SBR or IFAS-SBR configurations. The use of an IFAS-SBR reactor can achieve a better nitrogen removal performance while simultaneously allowing a reduction of up to 50% in the required reactor volume compared to a conventional SBR system. This advantage of reduced reactor volume can be further exploited by designing an IFAS-SBR reactor with a volume exceeding the minimum required, thereby enabling the utilization of sludge liquors from the thickening of primary sludge as an external organic carbon source. Such an approach can lead to a substantial reduction in the overall operational cost of such systems.

Οι εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων (ΕΕΛ) εφαρμόζουν μια σειρά από διεργασίες διαχείρισης της περίσσειας βιολογικής ιλύος με στόχο τη μείωση του υγρού όγκου (αύξηση στερεών), την υγειονοποίηση και τη σταθεροποίησή της. Στις μεγάλου μεγέθους ΕΕΛ, συνήθως εφαρμόζεται η διεργασία της αναερόβιας χώνευσης ώστε να επιτευχθεί η αποτελεσματική σταθεροποίηση και μερική υγειονοποίηση της ιλύος, ενώ παράλληλα οδηγεί στην παραγωγή ενέργειας με τη μορφή βιοαερίου. Η αναερόβια χωνεμένη ιλύς, στη συνέχεια υφίσταται μηχανική αφυδάτωση με στόχο τη μείωση της περιεχόμενης υγρασίας της. Στο στάδιο της αφυδάτωσης προκύπτει ένα παράπλευρο ρεύμα υγρών αποβλήτων το οποίο ονομάζεται στραγγίδια αφυδάτωσης και χαρακτηρίζεται από πολύ υψηλές συγκεντρώσεις ολικού και αμμωνιακού αζώτου. Τα τελευταία χρόνια, σε ορισμένες ΕΕΛ μεγάλου μεγέθους, επιλέγεται η προ-επεξεργασία της ιλύος πριν την εφαρμογή της αναερόβιας χώνευσης, σε συστήματα θερμικής υδρόλυσης όπου πραγματοποιείται διάσπαση της δομής της ιλύος υπό συνθήκες υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας. Η θερμική υδρόλυση μπορεί να αυξήσει την παραγωγή βιοαερίου κατά το στάδιο της αναερόβιας χώνευσης, ενώ παράλληλα φαίνεται πως βελτιώνει και την αποτελεσματικότητα της μηχανικής αφυδάτωσης συντελώντας σε αύξηση της συγκέντρωσης των στερεών της αφυδατωμένης ιλύος. Τα στραγγίδια αφυδάτωσης που προκύπτουν από θερμικά προ-επεξεργασμένη αναερόβια χωνεμένη ιλύ, τείνουν να εμφανίζουν ακόμη υψηλότερες συγκεντρώσεις ολικού και αμμωνιακού αζώτου συγκριτικά με τα συμβατικά στραγγίδια αφυδάτωσης ιλύος. Τα στραγγίδια αφυδάτωσης ιλύος συνήθως ανακυκλοφορούνται στην είσοδο της ΕΕΛ, επιβαρύνοντάς την έως και κατά 25% όσον αφορά το φορτίο αζώτου. Αυτό δυσχεραίνει τις βιολογικές διεργασίες απομάκρυνσης αζώτου (νιτροποίηση, απονιτροποίηση) στην κύρια γραμμή επεξεργασίας λυμάτων της εγκατάστασης. Προκειμένου να αντιμετωπισθεί αυτό, τα τελευταία χρόνια σε αρκετές ΕΕΛ στην Ευρώπη εφαρμόζεται η χωριστή επεξεργασία των στραγγιδίων αφυδάτωσης πριν την ανακυκλοφορία τους στην είσοδο της εγκατάστασης. Λόγω των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών των στραγγιδίων αφυδάτωσης (υψηλό φορτίο αζώτου, χαμηλός λόγος άνθρακα/αζώτου (C/N), χαμηλή συγκέντρωση βιοδιασπάσιμης οργανικής ύλης), η βιολογική απομάκρυνση αζώτου μέσω της διεργασίας της συμβατικής νιτροποίησης/απονιτροποίησης, είναι προβληματική. Αντίθετα, η εφαρμογή διεργασιών όπως της νιτρωδοποίησης/απονιτρωδοποίησης και της μερικής νιτρωδοποίησης/ αναερόβιας οξείδωσης της αμμωνίας (anammox) αποτελούν πιο εφικτές επιλογές. Βασικός στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η διερεύνηση της βιολογικής απομάκρυνσης αζώτου των στραγγιδίων αφυδάτωσης που προκύπτουν από τη θερμικά προ-επεξεργασμένη αναερόβια χωνεμένη ιλύ. Έχοντας το συγκεκριμένο στόχο, επιλέχθηκε η ανάπτυξη και λειτουργία ενός πιλοτικού αντιδραστήρα εναλλασσόμενων φάσεων διαλείποντος έργου (Sequencing Batch Reactor – SBR) (όγκου 9 m³) στην ΕΕΛ Ψυττάλειας όπου διερευνήθηκε η βιολογική απομάκρυνση του αζώτου από τα στραγγίδια αφυδάτωσης μέσω της εφαρμογής της διεργασίας της νιτρωδοποίησης/ απονιτρωδοποίησης. Επιπρόσθετα, οι επιμέρους στόχοι που τέθηκαν αφορούσαν τη διερεύνηση των παραγόντων που μπορεί να επηρεάζουν την εφαρμογή της διεργασίας της νιτρωδοποίησης/απονιτρωδοποίησης (θερμοκρασία, συγκέντρωση ελεύθερης αμμωνίας (FA), συγκέντρωση ελεύθερου νιτρώδους οξέος (FNA), εξωτερική πηγή οργανικού άνθρακα). Επιπλέον, επιλέχθηκε να εξεταστεί μια εναλλακτική διεργασία απονιτρωδοποίησης (αυτοτροφική απονιτρωδοποίηση) καθώς και η ανάπτυξη ενός διαφορετικού συστήματος επεξεργασίας στραγγιδίων αφυδάτωσης μέσω νιτρωδών, με την ανάπτυξη τόσο αιωρούμενης όσο και προσκολλημένης βιομάζας σε αντιδραστήρα εναλλασσόμενων φάσεων διαλείποντος έργου (αντιδραστήρας Integrated Fixed-film Activated Sludge – Sequencing Batch Reactor IFAS-SBR). Η πιλοτική μονάδα SBR λειτούργησε για περίπου 1000 συνεχόμενες ημέρες επιτυγχάνοντας υψηλές αποδόσεις ως προς την απομάκρυνση τόσο του αμμωνιακού αζώτου όσο και του ολικού αζώτου από τα στραγγίδια αφυδάτωσης ιλύος. Η περίοδος εκκίνησης του SBR (έως την επίτευξη της διεργασίας της νιτρωδοποίησης έναντι της συμβατικής νιτροποίησης) διήρκησε περίπου 35 ημέρες. Ο βασικός λόγος της πλήρους αναχαίτισης των βακτηρίων οξείδωσης των νιτρωδών (nitrite oxidizing bacteria – ΝΟΒ) και της συσσώρευσης νιτρωδών λόγω νιτρωδοποίησης, ήταν οι υψηλές συγκεντρώσεις της ελεύθερης αμμωνίας στο ανάμικτο υγρό (> 10 mg NH₃–N L⁻¹) λόγω της σταδιακής αύξησης της φόρτισης αζώτου (Nitrogen Loading Rate-NLR). Η λειτουργία της πιλοτικής μονάδας SBR χωρίζεται σε 4 διακριτές περιόδους μετά την περίοδο εκκίνησης. Ο διαχωρισμός των περιόδων λειτουργίας πραγματοποιείται με βάση την εφαρμογή διαφορετικών NLR και την προσθήκη διαφορετικής πηγής οργανικού άνθρακα. Το μέγιστο NLR με το οποίο λειτούργησε η πιλοτική μονάδα SBR ήταν ίσο με 0,51±0,09 kg N m⁻³ d⁻¹ με το σύστημα να επιτυγχάνει πολύ υψηλά ποσοστά απομάκρυνσης του αμμωνιακού αζώτου (NH₄–N) (90,1±4,9%) και να παρουσιάζει ικανοποιητική αλλά μειωμένη απόδοση όσον αφορά την απομάκρυνση του ολικού αζώτου (ΤΝ) συγκριτικά με τις υπόλοιπες περιόδους λειτουργίας (απομάκρυνση ΤΝ=77,5±12,4%). Η μειωμένη απόδοση του συστήματος ως προς την απομάκρυνση του ΤΝ ήταν απόρροια της μη επαρκούς διάρκειας των ανοξικών φάσεων ώστε να επιτευχθεί πλήρης απονιτρωδοποίηση. Διαπιστώθηκε ότι το όριο λειτουργίας του συγκεκριμένου συστήματος επεξεργασίας στραγγιδίων αφυδάτωσης ιλύος ήταν η εφαρμογή φορτίσεων αζώτου έως και τα 0,5 kg N m⁻³ d⁻¹. Σε υψηλότερα NLR, λόγω της μερικής απονιτρωδοποίησης που επιτύγχανε το σύστημα, υπήρχε η πιθανότητα της σταδιακής συσσώρευσης νιτρωδών σε μη επιθυμητά επίπεδα. Στις υπόλοιπες περιόδους λειτουργίας της πιλοτικής μονάδας SBR, η μέση τιμή της φόρτισης αζώτου (NLR) ήταν σχετικά σταθερή καθώς κυμαινόταν μεταξύ 0,31-0,33 kg N m⁻³ d⁻¹. Τις περιόδους αυτές, παρατηρήθηκαν πολύ υψηλά ποσοστά απομάκρυνσης του αμμωνιακού αζώτου (>90%) και υψηλές απομακρύνσεις του ολικού αζώτου μεταξύ 81,4±19,2% και 91,1±8,6%.Το βιοδιασπάσιμο οργανικό φορτίο των στραγγιδίων αφυδάτωσης ήταν πολύ χαμηλό (μόλις το 5,8% του συνολικού COD ήταν βιοδιασπάσιμο) με αποτέλεσμα να απαιτείται η προσθήκη εξωτερικής πηγής οργανικού άνθρακα για την επιτέλεση της διεργασίας της απονιτρωδοποίησης. Κατά την περίοδο της εκκίνησης του αντιδραστήρα όπως και κατά την 1η περίοδο λειτουργίας, ως εξωτερική πηγή οργανικού άνθρακα χρησιμοποιήθηκε οξικό νάτριο και στραγγίδια προερχόμενα από την πάχυνση της πρωτοβάθμιας ιλύος της ΕΕΛ Ψυττάλειας. Κατά τη 2η και 3η περίοδο χρησιμοποιήθηκε αποκλειστικά οξικό νάτριο, ενώ κατά την 4η περίοδο χρησιμοποιήθηκαν μόνο στραγγίδια από την πάχυνση της πρωτοβάθμιας ιλύος. Κατά τη διάρκεια της 3ης και 4ης περιόδου, η πιλοτική μονάδα λειτούργησε με παρόμοιες λειτουργικές συνθήκες αλλά με διαφορετική πηγή οργανικού άνθρακα, ώστε να πραγματοποιηθεί μια σύγκριση μεταξύ των δύο υποστρωμάτων που χρησιμοποιήθηκαν. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η χρήση του οξικού νατρίου ως εξωτερική πηγή οργανικού άνθρακα μπορεί να επιτύχει υψηλότερους ρυθμούς απονιτρωδοποίησης συγκριτικά με τη χρήση στραγγιδίων από την πάχυνση της πρωτοβάθμιας ιλύος. Ειδικότερα, η χρήση του οξικού νατρίου οδήγησε σε αύξηση του ρυθμού απονιτρωδοποίησης κατά 15% καθώς και σε αύξηση της συνολικής απόδοσης του συστήματος ως προς την απομάκρυνση του ολικού αζώτου κατά 10%. Ωστόσο, η χρήση των στραγγιδίων από την πάχυνση της πρωτοβάθμιας ιλύος αποτελεί μια ικανοποιητική λύση μηδενικού κόστους, η οποία σε συνδυασμό με κάποια εμπορικά διαθέσιμη πηγή οργανικού άνθρακα θα μπορούσε να πετύχει αποδοτική απομάκρυνση αζώτου μειώνοντας το συνολικό κόστος λειτουργίας ενός τέτοιου συστήματος. Βασικό μειονέκτημα της αποκλειστικής χρήσης στραγγιδίων από την πάχυνση της πρωτοβάθμιας ιλύος ως εξωτερική πηγή άνθρακα, αποτελεί η ανάγκη για προσθήκη μεγάλων όγκων των εν λόγω στραγγιδίων κατά το στάδιο της απονιτρωδοποίησης (ώστε να επιτευχθεί η απαιτούμενη συγκέντρωση οργανικού φορτίου) κάτι που μπορεί να απαιτεί το σχεδιασμό μεγαλύτερων σε όγκο αντιδραστήρων SBR.Με δεδομένη την απαίτηση προσθήκης εξωτερικής πηγής οργανικού άνθρακα κατά το στάδιο της απονιτρωδοποίησης που αυξάνει το λειτουργικό κόστος της διεργασίας, στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής έρευνας εξετάσθηκε η εφαρμογή της αυτοτροφικής απονιτρωδοποίησης. Ειδικότερα, σε εργαστηριακής κλίμακας συστήματα διερευνήθηκε η διεργασία της αυτοτροφικής απονιτρωδοποίησης με την προσθήκη S₂O₃²⁻ ως δότη ηλεκτρονίων. Όπως αποδείχθηκε, η διεργασία της αυτοτροφικής απονιτρωδοποίησης μπορεί να εφαρμοσθεί όμως παρουσιάζει σημαντικά μειονεκτήματα συγκριτικά με την ετεροτροφική απονιτρωδοποίηση. Συγκεκριμένα, όπως προέκυψε τόσο από την καθημερινή λειτουργία των εργαστηριακών συστημάτων όπως και από batch πειράματα που πραγματοποιήθηκαν, η αυτοτροφική απονιτρωδοποίηση εμφανίζει μια φάση υστέρησης (μεγαλύτερη των 20 ωρών) που παρατηρείται από τη στιγμή που τροφοδοτείται το σύστημα έως την έναρξη της διεργασίας της απονιτρωδοποίησης. Επιπλέον, οι ρυθμοί απονιτρωδοποίησης που καταγράφηκαν, κυμαίνονταν μεταξύ 0,93-1,53 mg NO₂–N gVSS⁻¹ h⁻¹ και ήταν πολύ χαμηλότεροι από τους αντίστοιχους ρυθμούς που επιτυγχάνονται μέσω της διεργασίας της ετεροτροφικής απονιτρωδοποίησης. Τέλος, η αυτοτροφική απονιτρωδοποίηση έχει ως συνέπεια την κατανάλωση αλκαλικότητας και τη συνεχή μείωση του pΗ στο ανάμικτο υγρό με αποτέλεσμα να αυξάνονται οι απαιτήσεις ως προς τη χρήση χημικών για τη ρύθμισή του. Το πλεονέκτημα της εφαρμογής της αυτοτροφικής απονιτρωδοποίησης με τη χρήση Na₂S₂O₃ ως δότη e- έναντι της ετεροτροφικής απονιτρωδοποίησης με τη χρήση C₂H₃NaO₂ είναι το μειωμένο κόστος έως και κατά 60% ανά kg νιτρωδών που απομακρύνονται.Έχοντας ως στόχο την περαιτέρω διερεύνηση της διεργασίας της νιτρωδοποίησης/ απονιτρωδοποίησης, επιλέχθηκε η πραγματοποίηση batch πειραμάτων με τη χρήση της βιομάζας του πιλοτικού αντιδραστήρα SBR, που αποσκοπούσαν στην εξέταση των παραγόντων που επιδρούν στην διεργασία. Συγκεκριμένα, διερευνήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας στους ρυθμούς νιτρωδοποίησης (Ammonium uptake Rate - AUR) και απονιτρωδοποίησης (Nitrite Uptake Rate – NUR) καθώς και η επίδραση της ελεύθερης αμμωνίας (FA) και του ελεύθερου νιτρώδους οξέος (FNA) στους ρυθμούς νιτρωδοποίησης.Όσον αφορά τη θερμοκρασία, προέκυψε ότι αποτελεί καθοριστικό παράγοντα για την επίτευξη υψηλών ρυθμών AUR και NUR, καθώς επηρεάζει σε σημαντικό βαθμό τη βιομάζα ενός τέτοιου συστήματος. Από τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν σε διαφορετικές θερμοκρασίες προέκυψε ότι τόσο οι ρυθμοί AUR όσο και οι ρυθμοί NUR ακολουθούν μια σχεδόν γραμμική αύξηση με την αύξηση της θερμοκρασίας. Ενδεικτικά, στους 30 °C, οι ρυθμοί νιτρωδοποίησης ήταν 5,2 φορές υψηλότεροι από τους αντίστοιχους ρυθμούς με τη βιομάζα σε θερμοκρασία 15 °C ενώ αντίστοιχα ήταν και τα αποτελέσματα που αφορούσαν τους ρυθμούς απονιτρωδοποίησης. Επιπλέον, μέσω των πειραμάτων αυτών υπολογίστηκε ο θερμοκρασιακός συντελεστής θ ο οποίος μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μια εξίσωση της μορφής Arrhenius, ώστε να πραγματοποιηθεί η διόρθωση των ρυθμών AUR και NUR σε θερμοκρασία 20 °C (εξαλείφοντας την επίδραση της θερμοκρασίας στην οποία πραγματοποιήθηκε το πείραμα). Συγκεκριμένα, παρατηρήθηκε ότι ο θερμοκρασιακός συντελεστής θ που προκύπτει για τη διεργασία της νιτρωδοποίησης ισούται με 1,124 ενώ για τη διεργασία της απονιτρωδοποίησης ισούται με 1,109. Τα πειράματα προσδιορισμού της επίδρασης διαφορετικών συγκεντρώσεων FA (συγκέντρωση ελεύθερης αμμωνίας από 1,75 έως και 88 mg NH₃–N L⁻¹) στη νιτρωδοποιητική βιομάζα της πιλοτικής μονάδας SBR, έδειξαν ότι τα βακτήρια ΑΟΒ της εν λόγω βιομάζας ήταν πλήρως εγκλιματισμένα σε υψηλές συγκεντρώσεις FA. Ειδικότερα, δεν παρατηρήθηκε οποιαδήποτε αρνητική επίδραση στους ρυθμούς AUR που επιτύγχανε η βιομάζα του αντιδραστήρα SBR ακόμη και για συγκεντρώσεις FA που έφταναν τα 88 mg NH₃–N L⁻¹. Αντίθετα, πραγματοποιώντας τα αντίστοιχα πειράματα σε μια συμβατική νιτροποιητική βιομάζα, παρατηρήθηκαν υψηλά ποσοστά αναχαίτισης των ρυθμών AUR (>50%) ακόμη και για συγκεντρώσεις κοντά στα 20 mg NH₃–N L⁻¹.Tα πειράματα που εξέτασαν την επίδραση διαφορετικών συγκεντρώσεων FNA (συγκέντρωση ελεύθερου νιτρώδους οξέος από 4 έως και 28 μg HNO₂–N L⁻¹), έδειξαν σημαντική αναχαίτιση των ρυθμών AUR (κοντά στο 50%) όταν η συγκέντρωση του ελεύθερου νιτρώδους οξέος ξεπερνούσε τα 10 μg HNO₂–N L⁻¹. Παρόλα αυτά, και σε αυτή την περίπτωση υπήρχε σημαντικός βαθμός εγκλιματισμού της βιομάζας του πιλοτικού αντιδραστήρα SBR σε υψηλές συγκεντρώσεις FNA. Αντίστοιχα πειράματα πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση συμβατικής νιτροποιητικής βιομάζας στην οποία παρατηρήθηκε πολύ μεγαλύτερη αναχαίτιση της νιτροποίησης σε υψηλές συγκεντρώσεις FNA στο ανάμικτο υγρό, συγκριτικά με ότι διαπιστώθηκε για τη νιτρωδοποιητική βιομάζα. Παρά την ικανοποιητική απόδοση της πιλοτικής μονάδας SBR κατά την επεξεργασία στραγγιδίων αφυδάτωσης, επιλέχθηκε η διερεύνηση της εφαρμογής ενός αντιδραστήρα ο οποίος συνδυάζει την ύπαρξη τόσο αιωρούμενης όσο και προσκολλημένης βιομάζας με στόχο τη δυνητική αύξηση της φόρτισης του αζώτου. Συγκεκριμένα, επιλέχθηκε ένας εργαστηριακής κλίμακας αντιδραστήρας τύπου Integrated Fixed-film Activated Sludge – Sequencing Batch Reactor (IFAS-SBR) (30 L) ο οποίος λειτούργησε για 5 διακριτές περιόδους (540 ημέρες λειτουργίας). Εφαρμόζοντας τη διεργασία της νιτρωδοποίησης/ απονιτρωδοποίησης κατά την επεξεργασία των στραγγιδίων αφυδάτωσης θερμικά προ-επεξεργασμένης αναερόβια χωνεμένης ιλύος, με το σύστημα IFAS-SBR επιτεύχθηκαν πολύ υψηλά ποσοστά απομάκρυνσης τόσο του NH₄–N (91,3%-96-9%) όσο και του ΤΝ (91,5%-94,6%) σε κάθε περίοδο, ακόμη και για πολύ υψηλές φόρτισης αζώτου που έφτασαν έως και το 1,0±0,02 kg N m⁻³ d⁻¹. Η φόρτιση αυτή ήταν διπλάσια από τη μέγιστη που εφαρμόστηκε στο πιλοτικό σύστημα αιωρούμενης βιομάζας SBR, αναδεικνύοντας τη σημαντική συνεισφορά της προσκολλημένης βιομάζας κατά την επεξεργασία στραγγιδίων αφυδάτωσης. Με δεδομένη την επίδραση της θερμοκρασίας στη διεργασία της νιτρωδοποίησης/απονιτρωδοποίησης, θα πρέπει να επισημανθεί ότι η μέγιστη φόρτιση αζώτου που εφαρμόστηκε στην πιλοτική μονάδα SBR επετεύχθη κατά την περίοδο που η θερμοκρασία του ανάμικτου υγρού κυμαίνονταν σε 26,2±4,5 °C. Αντίστοιχα, στον αντιδραστήρα IFAS-SBR, εφαρμόστηκε σχεδόν διπλάσιο NLR συγκριτικά με τον αντιδραστήρα SBR σε αισθητά χαμηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας (η θερμοκρασία του ανάμικτου υγρού του IFAS-SBR κατά την περίοδο εφαρμογής του μέγιστου NLR ήταν ίση με 19,5±1,8 °C). Ωστόσο, η ανάπτυξη της προσκολλημένης βιομάζας στο σύστημα IFAS-SBR απαιτεί σημαντικό χρονικό διάστημα, καθώς αξιοσημείωτη συγκέντρωση βιοφίλμ (23 g TSS m⁻²) παρατηρήθηκε έπειτα από 100 ημέρες λειτουργίας του αντιδραστήρα. Η σύσταση της προσκολλημένης βιομάζας φαίνεται πως διαφοροποιούνταν ανάλογα με τις λειτουργικές συνθήκες που επικρατούσαν στον αντιδραστήρα IFAS-SBR, καθώς η επίδρασή της στις διεργασίες της νιτρωδοποίησης και της απονιτρωδοποίησης παρουσίασε διακυμάνσεις ανά περίοδο. Η μέγιστη συνεισφορά της προσκολλημένης βιομάζας στη διεργασία της νιτρωδοποίησης παρατηρήθηκε κατά την 3η περίοδο λειτουργίας (υπεύθυνη για την οξείδωση του 23,1% του αμμωνιακού αζώτου που μετατρέπονταν σε νιτρώδη), ενώ η μεγαλύτερη συνεισφορά της στη διεργασία της απονιτρωδοποίησης παρατηρήθηκε κατά τη 2η περίοδο λειτουργίας (υπεύθυνη για την απομάκρυνση του 55,1% των νιτρωδών που ανάγονταν σε αέριο άζωτο). Ο αντιδραστήρας IFAS-SBR, ειδικά κατά τις περιόδους που λειτούργησε με 50% πλήρωση σε βιοφορείς έναντι 30%, είχε μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα όσον αφορά την επεξεργασία μεγαλύτερων όγκων στραγγιδίων αφυδάτωσης ημερησίως, την επίτευξη υψηλότερων αποδόσεων ως προς την απομάκρυνση αμμωνιακού αζώτου και ολικού αζώτου, σε σύγκριση με το σύστημα SBR που περιλαμβάνει μόνο αιωρούμενη βιομάζα. Συνοψίζοντας, η επεξεργασία των στραγγιδίων αφυδάτωσης θερμικά προ-επεξεργασμένης αναερόβια χωνεμένης ιλύος είναι εφικτή μέσω της διεργασίας της νιτρωδοποίησης/απονιτρωδοποίησης είτε με τη χρήση αντιδραστήρων SBR είτε με τη χρήση αντιδραστήρων IFAS-SBR. Η χρήση αντιδραστήρων IFAS-SBR μπορεί να επιτύχει καλύτερα αποτελέσματα ως προς την απομάκρυνση αζώτου ενώ παράλληλα επιτρέπει τη μείωση του απαιτούμενου όγκου του αντιδραστήρα έως και κατά 50% συγκριτικά με την αντίστοιχη εφαρμογή σε συμβατικούς αντιδραστήρες SBR. Το πλεονέκτημα αυτό του μικρότερου απαιτούμενου όγκου μπορεί να αξιοποιηθεί περαιτέρω με το σχεδιασμό ενός αντιδραστήρα IFAS-SBR με μεγαλύτερο από τον ελάχιστο απαιτούμενο όγκο, ώστε να καθίσταται δυνατή η αξιοποίηση των στραγγιδίων από την πάχυνση της πρωτοβάθμιας ιλύος ως εξωτερική πηγή οργανικού άνθρακα. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται σημαντική μείωση του λειτουργικού κόστους του συστήματος.